（环境科学专业论文）污水水质毒性评价及排污河道生态修复效果研究.pdf

摘要 ( 3 ) 大沽排污河道生态修复效果研究：生态修复示范工程一定程度上降低 了河道污染，水质得到改善。大沽河主要污染是营养元素n 、p 污染和有机物污 染。植物修复对水样植物毒性影响明显，能降低其毒性；水样对发光菌均具有 毒性作用，存在潜在的急性生物毒性；修复区水样对水生动物大型蚤不存在急 性生物毒性。尽管采取的一系列生态修复措施对水质改善起到了作用，但作用 并没有得到充分发挥，修复效果尚不显著。 根据以上实验结果可以看出，筛选种植的各种水生植物对排污河道具有一定 的修复效果，采用污水水质理化指标评价和生物毒性评价相结合的方法，并注 重研究影响毒性的关键相关因子，来进行污水水质毒性评价，比较科学全面。 关键词：水质毒性评价，主成分分析，生物毒性，排污河道，植物修复 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eb o o m i n go fi n d u s t r y , v a r i o u sp o l l u t a n t sw e r ed i s c h a r g e di n t ot h ec i t y s e w a g er i v e rw i d e l y , a g g r a v a t i n gv a r i o u sp o l l u t i o np r o b l e m s n o w a d a y s ，t h es e w a g e r i v e rr e m e d i a t i o na n dr e c o v e r yh a v eb e c o m ec o m m o ne n v i r o n m e n t a li s s u e si n d i f f e r e n tc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d i nv i e wo ft h ep o l l u t i o ns t a t u so fd a g ur i v e r , p h y t o r e m e d i a f i o nd e m o n s t r a t i o np r o j e c tw a s c a r r i e do u ti nt h et y p i c a la r e ao fd a g u r i v e rb ym e a n so ft h ee c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nm e t h o d b a s e do nt h e l a b o r a t o r y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n df i e l dw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n g ，t h ee f f e c t o fe c o l o g i c a lr e m e d i a t i o no nt h ed a g us e w a g er i v e rw a s r e s e a r c h e da n de v a l u a t e d t h em e c h a n i s mw a sr e s e a r c h e dt h r o u g h i n d o o r e x p e r i m e n ti n c l u d i n gt h e f a c t o r st h a ti m p a c t e dt h eb i o l o g i c a lt o x i c i t y , i n d o o r p h y t o r e m e d i a t i o ne f f e c t s ；t h ew a t e rq u a l i t yt o x i c i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ；a n ds u i t a b l e r e m e d i a t i o np l a n t s b yr e g u l a r l ys a m p l i n ga n dm o n i t o r i n go ft h ed a g us e w a g er i v e r , t h ed y n a m i cc h a n g e so fw a t e rq u a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fr e m e d i a t i o np r o j e c tw e r e a n a l y z e d t h ec o m p r e h e n s i v ew a t e rq u a l i t ya n da s s e s s m e n to fr e m e d i a t i o ne f f e c t w e r ec o n d u c t e db yi m p r o v e dw a t e rq u a l i t yt o x i c i t ye v a l u a t i o nm e t h o d t h em a i n c o n c l u s i n sa r ea st h ef o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c to fs a l i n i t yo nt o x i c i t yo fh e a v ym e t a l s ：t h et o x i ce f f e c t so fh e a v y m e t a l so nt h eo r g a n i s mn o to n l yr e l a t e dt ot h et o t a lm e t a lc o n c e n t r a t i o n si nt h e e n v i r o n m e n tb u ta l s or e l a t e dt ot h ep h ，s a l i n i t yc o n d i t i o n s s a l i n i t yg e n e r a l l y i n c r e a s e dt h eh e a v ym e t a lt o x i c i t yo nw h e a tg e r m i n a t i o na n ds i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e d t h ew h e a ts h o o tl e n g t ha n dr o o tl e n g t h s a l th a n d l i n gi n c r e a s e dt h ep b ，c dt o x i c i t y o nw h e a ts e e d l i n gg r o w t h w h e a tb i o m a s s ，s t e ml e n g t ha n dr o o tl e n g t hr e d u c e dw i t h i n c r e a s i n gs a l i n i t yl e v e l si nd i f f e r e n th e a v ym e t a l sp o l l u t i o nl e v e l s s a l ta n dh e a v y m e t a l sh a da na n t a g o n i s me f f e c tt o w a r d sc h l o r o p h y l lc o n t e n ta n dr e d u c e de n z y m e a c t i v i t yu n d e rt h es t r e s so fp b ，c d ( e x c e p ts o da c t i v i t yo fr o o tu n d e rt h es t r e s so f c d ) t h ei m p r o v e ds e w a g ew a t e rt o x i c i t y a s s e s s m e n tm e t h o d s c o m b i n e dt h e b i o l o g i c a lt o x i c i t ye v a l u a t i o nm e t h o da n dp h y s i c a l 、c h e m i c a li n d i c a t o r s ，w h i c hc a n e v a l u a t et h e t o x i c i t y o fw a s t e w a t e rq u a l i t ym o r ec o m p r e h e n s i v e l ya n dc a n c o n c e n t r a t eo nt h ec r i t i c a lf a c t o r st h a te f f e c tt h et o x i c i t y ( 2 ) t h er e m e d i a t i o ne f f e c to fc o m m o ne m e r g e n tp l a n t so nt h ep o l l u t e dw a t e ro f i i i a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o na n dh e a v ym e t a l s ：s i xk i n d so fp l a n t sw e r es e l e c t e d ，i n c l u d i n gc a n n a g e n e r a l i s c a n n ag l a u c a c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s i r i st e c t o r u m i r i sl a c t e a l , a c o r u s c a l a m u sl i n n a l lt h e 6 p l a n t ss h o w e dg o o dr e m e d i a t i o n e f f e c t so nt h ew a t e r p o l l u t i o n t h ep l a n t sr e m o v e d5 3 9 0 - 9 4 7 5 o ft n ，4 6 7 6 - 8 5 1 0 o ft p , a n d 9 0 3 9 - 9 9 4 7 o fc d n oo b v i o u se f f e c to np br e m o v ew a ss h o w n ，w h i c hm a yb e c a u s e db yt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha sp ho fw a t e r , s u s p e n d e dp a r t i c u l a t e m a t t e ra n dm i c r o o r g a n i s m si nt h ew a t e r t h ee n r i c h m e n tf a c t o rt oc da n dp bo fs i x k i n d so f p l a n t si sf a rg r e a t e rt h a n1 ，s h o w i n gs t r o n ga c c u m u l a t i o na b i l i t yo fp l a n t so n c d ，p b t h ep l a n t sc a nb eu s e da sh y p e r a c c u m u l a t o ro fc da n dp bt or e p a i rt h ew a t e r p o l l u t i o n ( 3 ) r e s e a r c ho ne c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ne f f e c t o ft h ed a g us e w a g er i v e r ： e c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nd e m o n s 仃m i o np r o j e c tr e d u c e d r i v e rp o l l u t i o ni ns o m ee x t e n t t h ep o l l u t a n t si nd a g ur i v e ri sn u t r i e n te l e m e n t sn ，pa n d o r g a n i cm a t t e r p h y t o r e m e d i a t i o nc a nr e d u c et h ep l a n tt o x i d t yo b v i o u s l yw a t e rs a m p l e si nt h ef i v e r h a dp o t e n t i a la c u t et o x i c i t yo np h o t o b a c t e r i a , w h i l es h o w e dn oa c u t et o x i c i t yo nt h e a q u a t i ca n i m a l sd a p h n i am a g n a t h o u g has e r i e s o f e c o l o g i c a l r e m e d i a t i o n m e a s u r e sh a sp l a y e dar o l ei nt h ew a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t ，t h er e m e d i a t i o ne f f e c t i sn o ts i g n i f i c a n t b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i tc a nb es e e nt h a tt h es e l e c t e da q u a t i c p l a n t s a r ee f f e c t i v ei nt h er e m e d i a t i o no ft h es e w a g ef i v e ri ns o m ee x t e n t i ti s s c i e n t i f i ca n dc o m p r e h e n s i v et ou s et h em e t h o dc o m b i n i n gt h eb i o l o g i c a lt o x i c i t y e v a l u a t i o na n dp h y s i c a l 、c h e m i c a li n d i c a t o r st oa s s e s st h ew a s t e w a t e rq u a l i t y k e yw o r d ：t o x i c i t ye v a l u a t i o n o fw a t e rq u a l i t y ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t s a n a l y s i s ，b i o l o g i c a lt o x i c i t y ，s e w a g ed i s c h a r g er i v e r ，p h y t o r e m e d i a t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节污水水质毒性评价方法 目前，对水和废水污染排放的水质评价与监督以理化分析为主，但污水中 的成分往往比较复杂，难以用理化分析指标反映出污染水体对水生生物的影响。 现实中常有理化指标合格的污水却具有很大的生物毒性，理化指标不合格的污 水却具有较小的生物毒性。因此评价污水水质毒性，可以考虑将理化指标评价 和生物毒性评价结合起来综合分析。 1 1 1 理化指标评价 传统的水质化学监测能够客观反映水体存在的污染物水平。监测出污水中 各理化指标的浓度和含量，通过污染物含量和污水排放标准的比较来分析水质 的污染情况。 1 1 1 1 主成分分析法在水质评价中的应用 目前，水环境质量的综合评价有很多方法【l 】。常用的水质评价方法有：单因 子评价法、综合指数法、模糊综合评价法、灰色系统法、神经网络法等，近年 来主成分分析、聚类分析、因子分析等多元统计分析方法开始用于水质评价过 程。由于水质系统是由各种污染指标变量组成的复杂系统，各个因子之间具有不 同程度的相关性，每一个因子都只从某一方面反映水质质量，因此依据它们作 综合评价有一定的难度【2 】。主成分分析方法将多因子纳入同一系统进行定量化研 究，是比较完善的多元统计分析方法【3 】。 主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s ) 【4 】又称定量分析，由h o t e l l i n g 于1 9 3 3 年首先提出，是一种将多维因子纳入同一系统进行定量研究的多元统计 分析方法。主成分分析的具体步骤为： ( 1 ) 将各变量x j 标准化，以消除量纲和数量级的影响。 ( 2 ) 计算出标准化数据的相关系数矩阵，并求出其特征根及相应的特征向 量。 ( 3 ) 确定主成分个数。在已确定的全部p 个主成分中合理选择前m 个来实 现最终的评价分析，一般用方差贡献率解释主成分反映的信息量大小，m 的确 第一章绪论 定以累计方差贡献率达到足够大的值( 一般取8 5 ) 为原则。 ( 4 ) 确定主成分f j ( j - 1 ，2 ，。，p ) 表达式。 ( 5 ) 将各待评水体样点的标准化数据分别代入各主成分的表达式中，计算 出样点的各主成分得分f ，以方差贡献率为权重对主成分得分求和的综合得分 f = ( d j f j ) ，分值即是对水体水质污染程度的定量化描述。 主成分分析法是一种比较有效的水质评价方法，可以在最大限度保留原有 数据的基础上，最佳的综合与简化高维变量系统，更为集中的反映研究对象特 征，避免传统水质分析方法( 污染指数法、模糊综合评价法等) 的主观随意性。 除此以外，还可以通过主成分分析法中主成分地方排序知道各样点的污染程度 大小，在这一点上更优于其他水质分析方法。 现在越来越多的研究者运用主成分分析来评价水质污染状况【5 】。王艳红等对 太湖2 0 0 7 年3 3 个观测点的1 0 项水质参数进行了主成分分析，结果表明第一主 成分反映了水体的富营养化程度及有机污染，第二主成分代表了太湖的理化特 征，第三主成分反映了太湖的物理特征和微生物特征，得出了太湖北部的五里 湖和西北部湖区污染最为严重【6 】。由此可见，利用主成分可在信息基本不损失的 情况下有效降低水质评价的参数，简化工作量，且相比于单指标评价结果而言 更为客观，在水质评价上指导性较强。d a t l a 7 等用主成分分析法分析了根德拉河 的监测水质参数，结果得出了硝酸盐、总悬浮固体、氨、水温以及混浊物5 个 主成分来评价根德拉河的水质。刘威等采用主成分分析法对松花江吉林江段水 质监测数据进行了分析，通过分析主要污染物确定了近年来该河段水体的主要 污染物为有机污染物1 8 j 。 1 1 1 2 聚类分析法在水质评价中的应用 近年来聚类分析也作为一种多元统计分析方法越来越多用于水质评价过 程。多元聚类分析方法是根据研究对象的特征研究多个变量集合之间，以及具 有这些变量的个体之间关系的一类统计技术，它能降低数据矩阵的复杂性，抽 取重要信息，直观地表现多个变量如不同种类之间的相互关系【9 】。相似程度的计 算包括样本间距离和小类间距离两类，样本间距离测量方法有欧氏距离、m a h a l 距离和ci t y b l o c k 足e 离等，小类间距离测量方法有最短距离法、中心法、离差平方 法等 1 0 】。系统聚类分析分为两种形式，一是对研究对象本身进行分类，称为q 型 聚类，另一类是对观察对象的指标进行分类，r 型聚类。 2 第一章绪论 聚类分析法应用也越来越广泛【】1 1 。马挺军等采用i c p a e s 法测定了某再生 水中1 0 种重金属元素含量，应用聚类分析法对测定结果进行了评价，聚类分析 把l o 种重金属元素归为了三类，每类元素具有相似的变化规律，对其中某种元 素含量进行控制，则可有效控制其他的元素含量【1 2 】。 1 1 2 生物毒性评价 传统的理化分析可以定量分析污染环境中各污染物的含量，但无法直接、 全面的反映各种有毒物质对环境的综合影响。生物毒性测试能够直接测定水样 的毒性，评价工业废水、农药、化学毒品对水环境的污染，是研究水体污染的 一种重要手段，可以为制定各种水质标准提供科学依据。 生物毒性( b i o l o g i c a lt o x i c i t y ) 是指生物体由于毒物的作用在毒理学上产生 不良症状和状况。污染物对环境生物的毒性作用，可分为急性毒性、慢性毒性 和遗传毒性。目前常用的评价生物毒性的指标包括植物、动物以及微生物指标， 采用单一指标进行毒性评价显得过于片面，所以要选择多种指标进行综合全面 的毒性评价。一些物种对某些污染物具有较好的敏感性，并且具备易于获取、 培养和观察的特点，成为评价水体污染的最主要的指示生物 13 1 。微生物生物量、 酶活性、基础呼吸强度、菌落数量、发光细菌发光强度等对污染物具有较高的 敏感度，可以用于污染环境生物毒性的评价【l4 1 ，且在评价修复效果方面也得到 应用。孙晓怡等利用蚕豆微核试验、发光细菌急性毒性试验以及鱼类急性毒性 试验从植物毒性、微生物毒性以及动物毒性三个方面分析评价了抚顺市工业废 水的生物毒性，可以说明废水的水质状况和综合污染程度【l5 1 。董新姣采用分析 水质理化指标及蚕豆根尖微核试验相结合的方法对温州市区内河的水质毒性进 行了评价，评价市区内河水污染状况，结果表明河水污染较重并具有一定遗传 毒性【16 1 。 1 1 2 1 植物毒性评价 植物毒性常作为评价生物毒性大小的指标之一，主要毒性指标包括植物生 长状况以及一些生理生化参数【l7 1 。 小麦是高等陆生植物，同时也是重要的粮食作物，属于试验模式植物。应 用种子发芽和根伸长抑制进行重金属生态毒性试验的研究较多【1 8 , 1 9 。当种子暴露 于污染物或有害环境时，发芽和根伸长常常受到抑制，表现为发芽率低、根长 3 第一章绪论 短。另外植物暴露于外界不良环境中会导致植物体内活性氧( a c t i v eo x y g e n s p e c i e s ，a o s ) 积累从而引起氧化胁迫，使植物组织受到伤害。植物在进化过程 中形成了各种清除和降低a o s 的保护机制，抗氧化酶系统( 超氧化物岐化酶 s o d 、过氧化物酶p o d 、过氧化氢酶c a t 等) 就是一种，因此可通过测定酶系 统活性来研究污染物产生的抑制作用大小 2 0 1 。 1 1 2 2 动物毒性评价 无脊椎动物毒性目前的研究主要集中在冶炼厂周围重金属污染程度对无脊 椎动物的生态风险、非电源污染生态风险、实验室毒性试验和人工毒性试验等。 国内外普遍的采用蚤类进行毒理学研究，是因为蚤类繁殖快、生活周期段、 培养简便，对许多毒物敏感，也是脊椎动物中少数能够在实验室成功培养的种 类之一。其中大型蚤( d a p h n i am a g n a ) 是蚤种中个体最大的种类，生殖多，是 理想的试验蚤种。大型水蚤是国际标准实验生物之一，已广泛应用于评价化学 污染物、工业废水等毒性研究上【2 1 2 扪，以其快速、敏感而被列入有毒化学品登记 的必测项目。 1 1 2 3 微生物毒性评价 由于微生物对重金属危害比动物和植物敏感，因此微生物毒性也经常作为 生物毒性的一个评价方面。发光细菌法是一种用海洋发光菌作为指示生物，以 其发光强度的变化为指标，测定生物毒性的一种新方法。发光细菌法对很多毒 物特别敏感，该方法的灵敏度和可靠性可以与鱼体9 6h 培养测定的急性毒性 方法相比，与传统的生物学检测方法相比，简便、快速、适应性强、重复性好、 精度高、费用低、用途广。该方法已被广泛应用于对工业废水、纳污水体的水 质急性毒性检测。 本项研究中，选取的是明亮发光杆菌，它是一种非致病性细菌，具有发光 能力。有毒物质能影响细菌的发光强度，且其光强度变化的程度大小与毒物浓 度有一定的相关性。国内学者在废水的发光细菌毒性方面也进行了大量的研究 【2 3 】。 4 第一章绪论 第二节排污河道污染现状及修复技术 1 2 1 我国城市排污河道的主要环境问题 在城市形成和发展中，城市河流是城市重要的资源和环境载体，是影响城 市环境的重要因素【2 4 1 。随着城市的高速发展，城市河道水环境收到了严重的污 染与破坏，我国城市河道水体混浊变黑变臭，河道淤积，富营养化现象日趋严 重。目前，我国河道8 0 以上的城市河流受到污染。我国城市排污河道水体污 染主要包括氮磷等营养物质和有机物污染两个方面，且污染物的来源较为复杂， 有自然源和人为源，有外源性和内源性。城市排污河道水体污染通常是有机污 染物的超标或水中氮磷营养元素含量较大造成藻类异常繁殖的富营养化污染。 1 2 2 城市排污河道的修复技术 目前采用的水体修复技术主要有3 种：物理、化学和生态修复。物理修复 包括挖掘底泥、引水冲淤、机械除藻等，即采用物理方法来清除污染底泥，除 去污染藻类等措施来改善河道水质；化学修复是指利用投加化学药剂去除水中 的污染物。 除了物理修复和化学修复外，河道的生物修复近年来也得到了赢得重视。 生物修复是指利用植物或微生物的生长及活动，对水中污染物进行转移、吸收 剂降解，从而净化水体的技术。相比于物理和化学修复，生物修复技术是近来 发展很快的新技术，是依照自然界自身规律来强化水体自身的净化能力，以此 来治理污染河道。生物修复具有很多优越性，它具有投资少、操作简便、不易 产生二次污染等特点，既能有效去除河道污染物净化水体还可以与景观改善相 结合。随着生物技术的发展，大规模地利用植物、微生物来修复污染水体，前 景广阔。三种修复技术各有优势，需要根据河道水体的实际情况选择合理的修 复技术。对于大型排污河道水体治理，常采用几种修复技术组合处理，以期达 到最好的修复效果。 生物修复应用于城市水环境治理最早起源于2 0 世纪5 0 年代，英、美等发 达国家采用河道曝气复氧措施，解决日益严重的河道污染。我国从1 9 9 6 年开始 大规模试验，已形成了一整套具有中国特色的城市水环境生物修复技术，并取 得了上海张家浜、上澳塘、江苏周庄、广州朝阳涌、古廖涌等多条城市河道生 物修复成功案例。目前国内苏州河、滇池、太湖等地的污染水体的治理都在不 5 第一章绪论 断的尝试试验和应用生物修复技术。常用的生物生态修复技术有投加菌种法、 河道曝气技术、水生植物净化法、生态浮床技术、生物操纵法、建设生态河堤 等。 第三节植物修复在水体净化中的应用 植物修复技术是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力，将环境 中的污染物转移到植物体内或对污染物进行降解利用，然后对植物进行回收处 理，达到去除污染和修复生态的目的。该方法效率高、成本低、易于操作，而 且与生态环境相协调，是一种具有广阔发展前景的环境治理技术，越来越多的 应用于水体修复与净化中。 1 3 1 在水体氮磷营养物质修复中的应用 随着河道水体富营养化现象的日趋严重，以脱磷除氮为主要目标的植物修 复技术将在城市河道污染水体的治理中发挥关键作用。水生植物根系可为微生 物生长提供营养适合的生存环境并能吸附大量的悬浮物质，从而提高水质，近 年来被广泛用于富营养化水体修复 2 5 , 2 6 。 吴迪等通过植被配置等技术开展了上海青浦大莲湖湿地修复示范工程，修 复前后水质指标的变化突出，修复后水体中总氮、硝态氮、总磷等指标均显著 下降，水质明显改善，呈现出良好的修复效果【27 1 。李欲如等研究了美人蕉及水 雍菜对不同污染程度水体中氮磷的去除效果，结果显示，不同浓度水样中两种 植物的氮磷修复效果有所不同，低浓度中水雍菜对氮磷的去除效果较好，而高 浓度下美人蕉对氮磷的净化效果均优于水雍菜。因此利用植物浮床技术净化浓 度水体时推荐使用水雍菜，而高浓度污染水体中则使用美人蕉【2 引。利用水生植 物净化富营养化水体时污染水体生物治理的途径之一，为了找出适宜水中生长 并对磷去除效果较好的植物，杨雁等选择了5 个品种的水稻及空心菜、茭白和 水花生，来研究各植物对水体磷的去除作用。结果显示，植物处理系统对水体 中总磷和水溶性总磷的去除效果均显著高于无植物对照组，其中t p 去除率达到 5 3 2 8 8 4 0 7 ，d t p 去除率达到4 4 9 9 8 8 8 1 ，植物种植均能有效去除磷【2 9 1 。 1 3 2 在水体重金属修复中的应用 重金属污染水体的修复也是一个要解决的关键问题，以往的物理与化学修 6 第一章绪论 复不仅成本高且修复效果不理想，而利用大型水生植物修复重金属污染水体不 但成本低廉、效率高，且能带来较高的环境生态效益，可谓在排污河道的修复 中发挥了重要作用【3 0 1 。 重金属污染水体的修复是目前研究的热点之一，其中生物修复技术尤其得 到了关注。具有重金属富集能力的植物有藻类植物、草本植物、木本植物等， 其主要特点是对重金属具有较强的抗毒能力和积累能力【3 1 1 。申华等研究了3 种 观赏水草对水体镉污染修复的效果，结果表明3 种植物均对水体镉有一定的抗 性并能不同程度去除水体镉，其中斯必兰对镉污染的耐性最高、修复能力最强 口2 1 。而叶雪均等研究了3 种草本植物对p b c d 污染水体的修复情况，结果显示3 种植物对p b c d 的去除率均有提高，其中凤眼莲对p b 的去除率达到7 7 2 7 ，对 c d 的去除率达到7 6 8 7 ，三种水生植物都明显提高了p b c d 去除效率【3 3 】。 第四节本研究排污河道概况 1 4 1 大沽排污河污染现状 大沽排污河自1 9 6 5 年改造后，数十年来一直是天津市海河以南主要市政污 水受纳水体，来水中6 0 工业废水，4 0 生活污水，海河以南的市区及沿途郊县 的各工厂企业均直接向大沽河排放工业废水，是造成大沽排污河严重污染的主 要原因。 由于长久未进行系统的清淤治理，大沽排水河河底底泥淤积深厚。据分析， 大沽排污河现有总泥量约2 3 0 万立方米，所有表层底泥中均有不愉快气味，或 强烈恶臭。根据泥质调查结果显示，未受污染( 有毒物质及重金属未超标，盐 碱化程度较轻) 、轻度污染( 有毒物质及重金属未超标但盐碱化程度较重) 和重 度污染( 重金属超标) 三部分所占比例分别为9 2 7 、3 4 9 8 和5 5 7 5 ，说明 大沽排污河超过9 0 的地段底泥均受到了不同程度的污染。底泥污染物中重金 属成分主要是汞、镉、铅、铜、锌、镍、砷等，其中，重金属锌超标数十倍， 镍、铜超标数倍，铬、汞轻微超标，矿物油超标，底泥中有机物含量仅占1 0 2 0 。 目前大沽排污河底泥对周边环境已造成了严重的影响，底泥清淤及河道生 态修复与重建工作刻不容缓。底泥疏浚虽然能够将大量的污染底泥移除，在很 大程度上改善底泥及河道环境质量。但是单单依靠疏浚本身并不能完全达到河 道生态修复的目标。其主要原因是大部分河道经多年淤积后，底泥厚度往往较 7 第一章绪论 大，因此难以将受污染的底泥全部清除，污染回复是经常出现的现象。因此， 如何经济有效地实现大沽排污河污染控制与修复，保持水体的环境和生态功能， 是大沽排污和综合整治工作中一项亟待解决的重大问题。 1 4 2 大沽排污河生态修复示范工程概况 依据底泥性质及水体深浅的不同，筛选具有底泥、水体净化效果的多种水 生植物：通过沉水植物、挺水植物及岸边护坡植物在河道中的合理配置，构建 具有生物多样性及整体协调功能的植物群落，达到消除污染、清除淤泥及改善 底泥结构性质、抑制底泥中污染物向水体扩散及改善河道景观等多重目的。 研究植物在河道生态稳定过程中的作用及开发其强化技术：利用水生植物 作为微生物载体对微生物降解的促进作用，以及植物根系作用( 输氧、分泌物) 对微生物降解的促进等，开发具有实用价值的植物微生物联合修复技术；强化 植物对营养元素的吸收、水生植物根系对污染物的固定作用、植物作为水生动 物歇息地对河道生态多样性的影响及其稳定化技术等，以控制恶臭控制藻类爆 发的相关技术。 建立生态修复示范工程：选择两处代表性河段进行植物修复研究和工程示 范( 工程示范现场初步定在先锋河中、下游，以及咸阳路污水厂至外环线河段) ， 种植了若干种植物进行河道原位修复工程示范，并对河道水质、影响因素、植 物室内修复效果等进行了研究，对大沽排污河河道及底泥的污染状况进行了有 针对性的监测和分析，并进行水质和底泥修复效果综合分析和评估。将植物固 定技术、生长促进技术及维持管理技术应用于示范工程。对底泥、水体的污染 状况、底泥量的变化及河道的生态多样性变化进行长期观测，确定修复效果。 通过定期采样分析研究排污河水体及底泥环境的动态变化，研究不同季节河道 中植物生长规律，通过测定底泥及水体中污染物的变化，底泥产生量的监控以 及河道生态多样性的监控评价原位修复的效果和生态效应。 第五节课题研究目的及内容 1 5 1 研究目的 本研究是在天津市科技创新专项资金项目“大沽排污河污染河道原位修复 集成技术研究及工程示范”的基金资助下完成的。鉴于大沽河的污染现状，已 8 第一章绪论 在河内典型河段进行了植物修复技术工程示范。 本文的研究目的是通过室内模拟实验和现场水质监测，来了解和评价大沽 排污河道生态修复的效果。通过室内实验进行机理研究，对生物毒性影响因素、 植物室内修复效果等进行研究，改进污水水质毒性评价方法，筛选合适的修复 植物；通过定期采样对河道的水体污染状况进行有针对性的监测和分析，分析 研究排污河水体环境的动态变化，对大沽排污河道水质、现场修复效果进行研 究，利用改进的污水水质毒性评价方法进行水质综合评价和生态修复效果评估。 1 5 2 研究内容 本论文主要从实验室理论和现场实践两个方面对污水水质毒性评价和排污 河道生态修复效果进行了研究。在室内实验机理研究的基础上，运用改进的污 水水质毒性评价方法对大沽排污河道生态修复现场修复效果进行评价。具体研 究内容包括： ( 1 ) 污水水质毒性评价研究盐度对重金属生物毒性的影响：重金属对 生物的毒性效应不仅与环境中总的金属浓度有关，还受环境p h 值、盐度等条件 的影响。通过设置不同的盐度来研究盐度变动下重金属对生物的毒性影响，探 求盐度影响重金属毒性的作用和机制，为自然污染状态下各种复合污染物生态 毒性效应的监测及污水水质毒性评价提供理论参考，并改进污水水质毒性评价 方法。 ( 2 ) 常见挺水植物对富营养化和重金属复合污染水体的修复效果研究：针 对大沽河河道的富营养化和重金属修复问题，选取了大沽河道原位生态修复工 程现场种植的6 种常见挺水植物旱生美人蕉、水生美人蕉、旱伞草、鸢尾、马 蔺、菖蒲为研究对象，进行了室内静态水培试验，比较研究了6 种常见挺水植 物对富营养化和c d 、p b 复合污染水体的修复效果，以期为水生植物在大沽河河 道生态工程示范中的选择应用现场提供一定的理论基础。 ( 3 ) 大沽排污河生态修复河道水质综合评价及生物毒性研究：定期对大沽 河植物修复后的现场水质进行监测和分析，与对照水体做比较，并运用常规的 水质污染检测、水质综合评价及生物毒性分析等改进的污水水质毒性评价方法 对河道生态修复示范工程的修复效果及生物毒性做出评价。 9 第二章污水水质毒性评价研究盐度对重金属生物毒性的影响 第二章污水水质毒性评价研究盐度对重金属生物毒性 的影响 第一节引言 植物对重金属可以进行吸收和积累，相反的重金属可对植物产生毒性效应。 对于重金属对植物的毒性作用有很多研究【3 4 - 3 8 】。近几十年来，关于重金属生物 毒性方面的研究也取得了较大的进展，但存在着许多问题有待研究，如生物毒 性与环境因素之间的相关性。针对目前的研究现状，应该更进一步开展在自然 环境的多重因子下重金属对生物的毒性作用研究。目前有一些环境因素对重金 属毒性影响的报道，如p h 、温度、有机质等，但盐度对重金属的影响研究相对 较少。有研究表明，n a c l 能增加c d 对小麦的毒性【3 9 1 。g h a u a b “4 0 】等对n a c l 盐度对c d 在几种类型土壤中的溶解性和有效性的影响进行了研究，结果表明随 着盐度的升高玉米的芽干重显著受到抑制，芽中的c d 浓度增加，盐度增加了重 金属的毒性并促进了植物对重金属的吸收累积。 重金属对生物的毒性效应不仅与环境中总的金属浓度有关，还受环境p h 值、 盐度等条件的影响。通过设置不同的盐度来研究盐度变动下重金属对几种生物 的毒性，旨在探求盐度影响重金属毒性的作用和机制。重金属特别是c d 、p b 等 具有较强的生物毒性，因此，研究不同盐度对重金属生物毒性的影响，可为自 然污染状态下各种复合污染物生态毒性效应的监测及污水水质毒性评价提供理 论参考。本项研究选择两种常见重金属p b 、c d 作为毒物研究的对象，进行了植 物毒性分析，选取高等陆生植物小麦为代表受试生物，目前，国内外已具备有 关的分类、生理、生态、遗传方面的基础资料。 第二节试验材料与方法 2 2 1 试验材料 本实验所选重金属为p b 、c d ，重金属溶液分别由p b ( n 0 3 ) 2 和c d ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 ( 分析纯) 配制。供试材料为小麦种子，品种为t r i t i c u ma e s t i v u ml ， 购自于天津农科院研究所。小麦发芽实验容器为直径9 0 m m 的玻璃培养皿，水 1 0 第二章污水水质毒性评价研究盐度对重金属生物毒性的影响 培实验容器为1 l 的玻璃烧杯。 2 2 2 试验方法 2 2 2 1 小麦种子发芽实验 盐度、重金属单效应实验：根据预实验中小麦根长抑制率的1 0 7 0 ，选 择盐度处理梯度为：0 、2 5 、5 0 、 1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 m m o l l 1 ( 以n a c l 浓度 算) ，各重金属的实验浓度分别为p b - 1 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 m g l ，c d ：1 0 、 5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0m g l - 1 。选取饱满、大小均匀的小麦种子，经过3 的h 2 0 2 消毒1 0 m i n 后用自来水、去离子水分别冲洗3 次。将消毒好的小麦均匀摆放在 铺有两层滤纸的培养皿中，每皿2 0 粒。分别在培养皿中加入5 m ln a c l 溶液和 p b 、c d 重金属溶液，空白加入5 m l 离子水，每个处理3 个重复。将培养皿置于 2 5 - 4 - 1 的培养箱中暗处培养，当对照组发芽率大于6 5 、根长达到2 0 m m 时终 止实验，分别计算各处理浓度的发芽率、芽长和根长抑制率，以浓度抑制率绘 制曲线进行回归分析计算出各重金属的芽长、根长e c 5 0 值，发芽的标准为芽长 大于等于2 m m 。 盐度、重金属复合效应实验：根据单效应实验得出的重金属对小麦根长的 半抑制浓度( e c 5 0 ) ，确定重金属的实验浓度，分别相对应于单效应实验根长抑 制率的0 ，e c 5 0 2 、e c 5 0 ，进行不同盐度的影响实验。最终确定的重金属浓度 为p b ：0 、1 1 0 、2 2 0m g l ，c d 0 、4 0 、8 0m g l 。实验盐度根据单效应 实验结果设置，选择复合实验中盐度为0 、2 5 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 m m o l l 1 ( 以n a c l 浓度算) 。同时各设3 组平行，计算各处理的小麦发芽率、芽长和根 长抑制率。 2 2 2 2 小麦幼苗生理生态毒性实验 根据急性毒性试验设置4 个盐度梯度和一个空白对照；根据文献和急性毒 性结果设置3 个重金属浓度梯度和一个空白对照；来研究盐度对小麦幼苗生理 生态毒性的影响。依据急性毒性实验得出的重金属对小麦根长的半抑制浓度 ( e c s o ) ，确定重金属的实验浓度为p b - 0 、1 5 、3 0 、6 0m g l - 1 ，c d - 0 、5 、 1 0 、2 0m g l 一；分别大约对应小麦急性毒性根长抑制率的0 、e c s d 6 、e c 5 0 8 、 e c s 0 4 。盐度最终确定为：o 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 m m o l l 。 小麦幼苗在重金属和盐分复合污染溶液中培养1 4 d ，测定其体内的生理指标 第二章污水水质毒性评价研究盐度对重金属生物毒性的影响 的变化，以评估盐度对重金属小麦幼苗的慢性毒性效应影响。灭菌后的小麦种 子在( 2 5 + - 1 ) 的培养箱中发芽7 2 h ，后置于营养液中水培7 d ，培养条件为： 光照1 2