（环境工程专业论文）苔藓对重金属的吸附特性及其在大气监测中的应用.pdf

两南农业大学硕_ 上学位论文 中义摘要 中文摘要 苔藓植物作为一类监测环境污染的指示植物己得到广泛应用。发达国家在利件j 苔藓指示 监测环境污染方面已做了人量的研究工作，取得了可喜进展，并建立了一些较为实用的技术 和方法。我国也有用苔藓来监测大气污染的研究，但所采用的研究方法主要是定性的生态指 示法，即采用生态学方法，观察其外部形态来估计人气重金属污染状况，在一定程度上容易 受到调查者主观因素的影响；在定量监测方面的研究相对较少，而且监测的对象主要是s o ： 等气态污染物，在重金属监测方面的研究很少，在苔藓植物对大气污染物的吸附特性以及污 染物对超微结构的影响等方面研究不足，研究范围较为狭窄。因此，用化学分析法定量研究， 与用生态指示方法定性研究相结合，并研究苔藓植物对重金属的吸附特性，有剥于更好的了 解苔藓对大气重金属的吸附规律，在监测大气污染方面有重要意义。 据此，本研究首先通过对苔藓种类、生k 状况及分布特征的调查，初步揭示苔藓生态特 点与大气污染的相关性。其次通过定量分析比较不同苔藓植物中重金属的含量，分析苔藓对 重金属的吸附特性，筛选出了对重金属富集能力强的苔藓品种，以作为用苔藓植物进行大气 环境监测的基础。再次采用一种简易的定性和定量识别区域性大气重金属污染的方法苔 袋生物监测方法对重庆市南岸、九龙坡、江北和北碚天生桥大气质量状况进行监测，揭示出 监测区域大气污染物干湿沉降规律及大气污染物的时空分布。结果表明： 各调查点苔藓植物的种类、出现频率及多度存在较大差异。其中金佛山、天生桥、龙车 寺、北温泉、山耳崖等地苔藓植物种类丰富、生长旺盛；来凤、槽上等地苔藓植物种类少、 长势差。调查区域内最常见的苔藓植物品种有娟藓属、青藓属、麻羽藓属、鳞叶藓属、灰藓 属、卷柏藓属等。 各监测点苔藓植物中污染物的含量变化为：青木关 天生桥 北温泉 龙车寺 来风 山耳崖。由此将各样点按相对污染程度的大小分3 级，其中污染区为青木关、天生桥：轻度 污染区为龙车寺、北温泉、来风：清洁区为山耳崖。此外，按污染类型，本实验所调查的6 个样点可分为4 类，清洁区为山耳崖：汞污染区为0 b 温泉和龙车寺；铜镍污染区为青术关和 天生桥；锌污染区为来风。 不同种类的苔藓对不同污染物的吸附力不同通过对同一样点中不同苔藓种类对重金属 的相对富集能力的比较发现，在本研究所调查样区采集的各种苔藓中，对汞吸附力较强的苔 藓种有：卷柏藓属、阔叶小石藓、鳞叶藓属、娟藓属、灰藓属等。对铜吸附力较强的苔藓种 有：阔叶小石藓、细叶小羽藓、卷柏藓属、麻羽藓属等。对镉吸附力较强的苔藓种有：阔叶 小斫藓、拟草藓、鳞叶藓属、青藓属、卷柏藓属、娟藓届、麻羽藓属等。对铅吸附力较强的 苔藓种有：青藓属、卷柏藓属、娟藓属、麻羽藓属、阔叶小石藓、拟草藓、鳞叶藓属簿。对 锌吸附力较强的苔藓种有：阔叶小石藓、薄罗藓届、细叶，j 、羽藓、拟草藓、青藓属、卷柏藓 l 撕南农业大学硕士学位论文 【 】义摘要 属、娟藓属、麻羽藓属等。对镍吸附力较强的苔藓种有：青藓属、卷柏藓属、娟藓属、麻羽 藓属、阔叶小石藓、美喙藓属、鳞n 藓属、白发藓属等。其中，淘叶小石藓、鳞叶藓属、娟 藓属、拟草藓、青藓属、卷柏藓属、麻羽藓属等苔藓种对各种污染物的吸附力都较强。几种 常见的苔藓对重金属的富集能力大小顺序为：卷桔藓属 娟藓属 麻羽藓属 鳞叶藓属 青 藓属，这可作为大气环境监测中苔藓监测材料的选择的依据。 本试验对各样点采集的苔藓植物中元素的相关分析表明，各种苔藓之间的元素相关性很 好，因此在苔藓生物监测过程中，如果难以采集同一种苔藓植物，可以采集其它苔藓植物品 种替代，但必须进行种间校正，得出校正因子。 不同苔藓植物对汞和镉的吸附等温线具有共性，即苔藓植物对重金属汞、镉的吸附量随 着平衡液浓度的增加而增大其吸附特征都能够用l i n e r 方程、f r e u n d l i c h 方程和l a n g m u i r 方 程很好的拟合，但以l a n g r n u i r 方程拟合苔藓对汞离子的吸附特征效果最佳( r = o 9 7 0 8 - - 0 9 9 2 6 ) ， 以f r e n d l i c h 方程拟合苔藓对镉离子的吸附特征效果蛀佳( r = 0 9 6 1 7 - - - 0 9 9 9 6 ) 。用l a n g m u i r 方 程拟合计算得到的饱和吸附量因苔藓植物品种而异，苔藓植物对汞离子的昂大吸附量介于 2 3 7 0 2 4 5 6 2 0 1 m g g 之间。对镉离子的虽大吸附量介于3 1 1 1 8 - - 2 5 9 9 1 7 m g g 之间，各种苔藓植 物对汞、镉吸附能力的大小顺序为：猫尾藓 毛尖燕尾藓 大灰藓 大粗枝藓 卷叶鞭苔 南方小锦藓 大羽藓、东亚曲尾藓 曲尾藓。总的来说，卷叶鞭苔、东亚曲尾藓、曲尾藓和 尖叶美喙藓苔藓对汞和镉的吸附量均比其它种类的吸附量小，但在本试验浓度范围内，各种 苔藓植物对汞和镉的吸附都未达到最大吸附量。 苔藓植物对h g 的吸附过程划分为快速反应和慢速反应两个阶段。即苔藓植物对h g 的吸 附量在反应开始的o 5 h 内吸附量迅速增加，在2 h 时基本达到最大值，2 h 以后增加十分缓慢， 基本没有变化。这说明苔藓植物对金属离子的吸附是一个主动快速的过程。卷叶鞭苔、东亚 曲尾藓和曲尾藓吸附汞离子较其他种类慢，浓度吸附能力低于其他种类，表明其对汞离子的 吸研j 能力较其它苔藓种类弱，这可能与它们的生跃形状有关。苔藓植物对汞的吸附动力学特 征可用指数( 双常数) 方程和e l o v i c h 方程普遍拟合，但南方小锦藓、毛尖燕尾藓和尖叶美喙 藓对汞的吸附动力学模型用指数方程拟合效果更优( f 0 9 2 5 0 - - 0 9 3 5 3 ) 。 与吸附过程类似，苔藓植物对h g 的解吸过程也分快速反应阶段和慢速反应阶段。同样， 快速反应在开始的2 h 内迅速完成，基本达到最大解吸量，慢速反应阶段解吸量增加很慢，直 到后来基本不发生变化。但在相同条件下，卷叶鞭苔、东亚曲尾藓和曲尾藓比其他种类的解 吸量更大。卷叶鞭苔的解吸量约为其吸附量的l ，4 ，东亚曲尾藓和曲尾藓的解吸量占其最大吸 附量的比例也较其他种类大，说明它们吸附的金属离子更容易释放出来。这进一步证明这几 种苔瑟对金属汞离子的吸持能力比其它种类弱。 本试验筛选出大羽藓、南方小锦藓、猫尾藓、大粗技藓、火灰藓、毛尖燕尾藓、扁平棉 藓、尖叶美喙藓为对金属离子吸附能力强的苔藓品种，但在具体苔藓生物监测过程中，应根 据实际情况，结台苔藓植物的生眭和分布状况进行选择。 u 两南农业九学顺上学位论文 中文摘篮 芹监测点的苔袋中重金属元素的含量均比对照点缙云山高，说明它们都受到不同程度的 污染。但儿龙坡区的h g 、c u 、c d 、p b 、z n 、n j 含量明显高j 其它区域，江北区、南岸区和 天生桥也受到一定程度的污染。监测时段内各监测区域大气中的重金属含量在时间上的变化 不人。 人气污染物干湿沉降规律为：在对照区，汞的平均沉降速率是8 5 0 t g m - 2m o l l 一，干沉降 约i b6 2 ；天生桥汞的平均沉降速率是1 2 5 0 u g m - 2 m o l l ，干沉降约占5 9 ：南岸、江北和 九龙坡汞的平均沉降速率分别为11 o o g g m - 2 m o n 一、1 1 2 5 p gi l l - 1 r t o f i 。和1 2 7 5 p - g - m m o l l ，干 沉降均占5 8 。该结果表明与降水量无关的污染物从大气向地面做转移过程的干沉降占总沉 降的5 9 ，说明同湿沉降相比，干沉降虽然没有那么集中，但因作用时间长，其达到的总的 效果也与温沉降相当。 主成分分析结果表明：不同污染物对监测点的总体大气污染程度有协同作用，并没有主 导的污染物，总体污染程度会随每种污染物含量的增加而增大。用第主分量数值对各监测 点污染程度排序为：九龙坡 天生桥 江北 南岸 缙云山。根据主成分分析结果对各监测 点相对污染程度进行分级，结果为：缙云山为清洁区；天生耩、南岸、江北为轻度污染区； 九龙坡为中度污染区。评价结果表明，在各功能区中，污染严重的为工业区和交通枢纽。九 龙坡的污染程度超过了另外几个监测点，表明随着工业和城市化的发展，由工业和交通运输 引起的大气污染已日渐突出。 总之，苔藓生物监测方法是一种灵敏、有效的大气监测方法，它不仅可以识别污染源、 反映大气质量状况，揭示大气污染物的时空分布及干湿沉降规律，而且监测方法简单，费 用低廉，还能避免常规监测在短期内测定所带来的分析数据的波动。因此，利用苔藓植物进 行生物监测具有较大的优势。 关键词：苔藓苔袋大气重金属吸附一解吸 1 1 1 a b s t r a c t b r y o p h y t e sw e r ew i d e l yu s e di n t h ew o r l da so n ek i n do fi n d i c a t i v e p l a n ts e n s i t i v et o e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n d e v e l o p e dc o u n t r i e sh a dd o n em a n yr e s e a r c h e si nt h i s f i e l d h a dr e a c h e d d e l i g h t f u la c h i e v e m e n t s ，a n de s t a b l i s h e ds o m ep r a c t i c a l t e c h n i q u e sa n dm e a s u r e s i nc h i n a t h e r e s e a r c hi nt h i sf i e l dw a sw e a kr e l a t i v e l yt h e r ew e r ej u s ts o m er e s e a r c h s i n e n v i r o n g m e n t a l m o n i t o r i n g u s e d b r y o p h y t e s a si n d i c a t o r si nr e c e n tl o y e a r s ，b u tm o s tw e r ec o n c e n t r a t e do f f q u a l i t a t i v e r e s e a c h b ye c o l o g i c a li n g d i c a t i n gm e a n s ，w h i c hc o u l db ei n f l u e n c e de a s i l yb yt h e s u b j e c t i v e f a c t o r so fr e s e a r c h e r si nc e r t a i ne x t e n t t h e q u a n t i t a t i v er e s e a r c hw a sl e s s ，a n dt h e m o n i t o r e do b j e c t sw e r em a i n l yg a s e o u sp o l l u t i o n ss u c ha ss 0 2 ，e t c b u tl e s si n h e a v ym e t a l s t h e r e s e a c h s c o p ew a sc o n f i n e d s o ，b yc o m b i n a t i n gq u a t a t i v ec h e m i s t r ya n a l y s i sa n d q u a l i t a t i v e e c o l o g i c a li n d i c a t i n g ，a sw e l ls ss t u d y i n gt h eb r y o p h y _ c e s la d s o r p t i o nc h a r a c t o r st oh e a v ym e t a l ，w e c o u l dk n o wt h eb r y o p h y t e s a d s o r p t i o nr u l e st oh e a v ym e t a l si na t m o s p h e r e ，w h i c hi ss i g n i f i c a n ti n m o n i t o r i n ga t m a s p h e r i cp o l l u t i o n a st h i s ，w ef i r s t l yi n v e s t i g a t e dt h e b r y o p h y t e ss p e c i e s ，g r o w t hs t a t u sa n dd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r s ， p r i m a r i l yd i s c l o s e dr e l a t i v i t yb e t w e e nt h eb r y o p h y t e s e c o l o g i c a lc h a r a t e r a sa n dt h ea t m o s p h e r i c p o l l u t i o n s e c o n d l nt h r o u g hc o m p a r i n g t h eh e a v ym e t a lc o n t e n ti nd i f f e r e n t b r y o p h y t e sb y q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，a n ds t u d y i n gt h eb r y o p h y t e s a d s o r p t i o nc h a r a c t e r st oh e a v ym e t a l s ，w e s e l e c t e do u tt h eb r y o p h y t es p e c i e sw h i c hh a v eh i g ha c c u m u l a t i v ea b i l i t yt oh e a v ym e t a l s ，w h i c h c o u l db et h eb a s eo fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g t h i r d l y , w ea d o p t e dm o s s - b a g t e c h n o l o g y , o n es i m p l em e t h o d ，t oi d e n t i f y t e r r i t o r i a l a t m o s p h e r eh e a v y m e t a l p o l l u t a n t s q u a l i t a t i v e l y a n dq u a n t i t a t i v e l y , t om o n i t o rt h ea t m o s p b e r eq u a i l t yi nn a n a nd i s t r i c t ，j i u l o n g p o d i s t r i c t ，j i a n g b e id i s t r i c ti nc h o n g q i n g ，a n dt i a n s h e n gr o a di nb e i b e i ，d i s c l o s e df u r t h e r l yt h ed r y a n dw e td e p o s i t i o no f a t m o s p h e r i cc o n t a m i n a n t sa n d t h e i rs p a t i a l - t e m p o r a lv a r i a t i o ni nm o n i t o r e d r e g i o n s t h er e s u l t ss h o w e d ： t h eb r y o p h y t e s s p e c i e s ，e x i s t e n c ef r e q u e n c ya n d q u a n t i t yd i f f e r e dh e a v i l yi ni n v e s t i g a t e ds p o t s a m o n gt h e m ，t h eb r y o p h y t e sw a se n n c ha n dg r o w nw e l l i ng o l d e nb u d d h am o u n t a i n ，t i a n s h e n g r o a d ，l o n g j u s h i ，n o r t hh o t s p r i n g , t h es e c o n dm o u n t a i nc l i i f , b u tf e wa n dg r o w nw o r s ei nl a i f e n g t h em o s t p e r v a s i v eb r y o p h y t es p e c i e s i n i n v e s t i g a t e d d i s t r i c t sw e r ee n t o d o n ，b r a c h y t h e c i u m ， c l a o p o d i u m ，t a x i p h y l l u m ，h y p n u m ，t a x i p h y l l u m ，e t c p o l l u t a n tc o n t e n t sv a r i e d a s q i n g m u g u a n t i a n s h e n g r o a d n o r t h h o t s p r i n g l o n g j u s h i l a i f e n g t h e s e c o n dm o u n t a i n c l i f f t h e r e o u t ，a c c o r d i n g t or e l a t i v e p o l l u t i o ne x t e n t ，t h e i n v e s t i g a t e ds p o t sc o u l db es o r t e di n t ot h r e eg r a d e s ，i nt h e m ，t i a n s h e n gr o a d ，n o r t hh o t s p r i n g , q i n g m u g u a n w a s p o l l u t e dr e g i o n ，l a i f e n gw a sl i g h tp o l l u t e dr e g i o n ，a n d t h es e c o n dm o u n t a i nc l i f f i v 西南农业大学硕士学位论文 a b s t r a t w a sc l e a nr e g i o n t h r o u g hc l u s t e r i n ga n a l y s i s ，w es o r t e dt h es i xs p o t si n t of o u rt y p e s ，t h ef i r s tt y p e w a sc l e a na r e a , tw a st h es e c o n dm o u n t a i nc l i f f , t h es e c o n dt y p ew a s h gp o l l u t e da r e a i n c l u d e d n o r t hh o t s p r i n ga n dl o n g j u s h i ，t h et h i r dt y p ew s _ qc u ，n ip o l l u t e da r e a ，i n c l u d e dq i n g m u g u a na n d t i a n s h e n gr o a d ，t h ef o u r t ht y p ew a s z n p o l l u t e da r e a , i n c l u d e dl a i f e n g b yc o m p a r i n ga c c u m u l a t i v ei n d e x e so ft h eb r y o p h y t e si ns a m es p o t s ，w ef o u n dt h eb r y o p h y t e s w h i c hh a ds t r o n ga c c u m u l a t i v ea b i l i t yt oh ga r eh y p u m e u p r e s s i f o r m e , b r a c h y t h e c i u m ，e n t o d o n , c l a o p o d i u m r a c o p l i u m , e t c ，w h i c hh a ds t r o n ga c c u m u l a t i v ea b i l i t yt oc uw e r eb r a c h y t h e c i u m ， c l a o p o d i u m r a c o p l i u m ，b r y o h a p l o c l a d i u mm i c r o p h y l l u m ，e t c w h i c hh a ds t r o n ga c c m n u l a t i v e a b i l i t y t oc dw e r e b r a c h y t h e c i u m ，e n t o d o n , w e i s i ap l a n i f o l i ad i x , e t c ，w h i c hh a ds t r o n g a c c u m u l a t i v ea b i l i t yt op bw e r eb r a c h y t h e c i u m e n t o d o n ，b a r b u l a , w e i s i ap l a n i f o l i ad i x r a c o p l i u m ， e t c w h i c hh a ds t r o n ga c c u m u l a t i v ea b i l i t yt oz nw e r eb r a c h y t h e c i u m ，e n t o d o n ，b a r b u l a , w e i s i a p t a n i f o l i ad i x , r a c o p l i u m ，l e s k e a , e t c w h i c h h a d s t r o n g a c c u m u l a t i v e a b i l i t y t on iw e r e b r a c ，t h e c i u m e n t o d o n ，t a x i p h y l l u m ，e t c i nt h e m ，w e i s i ap l a n i f o l i ad i x ，t a x i p h y l l u m ， b r y o h a p l o c l a d i u mm i c r o p h y l l u m ( h e d w , ) b r o t h 。p s e u d o l e s k e o p s i sz i p p e l i i ( d 0 2 ye tm o l k ) b r o t h ， b r a c h y t h e c i u m ，r a c o p l i u m ，c l a o p o d i u m ，e t c h a dh i g h e ra c c u m u l a t i v ea b i l i t yt oh e a v ym e t a l s t h e c o m m o nb r y o p h y t e s a c c u m u l a t i v e a b i l i t y t o h e a v ym e t a l s v a r i e d a s ：r a c o p t i u m e n t o d o n c l a o p o d i u m t a x i p h y l l u m b r a c h y t h e e i u m a n d t h i sw a st h eb a s eo f s e l e c t i n g b r y o p h y t em a t e r i a l s i na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lm o n i t o r c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eb r y o p h y t es p e c i e si nt h i ss t u d yw a sc o r r e l a t i v ee v i d e n t l y , a n dc o u l ds u b s t i t u t ef o re a c ho t h e ri ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , b u tm u s tb er e v i s e db e f o r eu s e d i f f e r e n tb r y o p h y t e s a d s o r p t i o ni s o t h e r m sw e r ec o m m o n , t h a tw a s ，t h ea d s o r p t i o nc o n t e n t st o h g a n dc di n c r e a s e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f t h eb a l a n c e ds o l u t i o n ，a n da l lc o u l db es i m u l a t e db y l i n e re q u a t i o n ，f r e u n d l i e he q u a t i o na n dl a n g m u i re q u a t i o n i nt h e m ，t h el a n g m u i re q u a t i o nw a st h e b e s ti ns i m u l a t i n gt h eb r y o p h y t e s a d s o r p t i o nc h a r a c t e rt oh g ，a n dt h el a n g m u i re q u a t i o nw a st h e b e s t i n s i m u l a t i n g t h e b r y o p h y t e s a d s o r p t i o n c h a r a c t e rt oc dr r = 0 9 6 1 7 , - - 0 9 9 9 6 ) b u tt h e b r y o p h y t e s s a t u r a t i o na d s o r p t i o nc o n t e n t sw e r ed i f f e r e n tw i t he a c ho t h e r , t h em a x i m u ma d s o r p t i o n c o n t e n tt o h g w a s 2 3 7 0 2 4 5 6 2 0 1 m g g t h e m a x i m u m a d s o r p t i o n c o n t e n tt oc dw a s 31 1 18 2 5 9 9 17 m g g t h e b r y o p h y t e s a d s o r p t i o na b i l i t y v a r i e da si s o t h e c i u m a t o p e c u r o i d e s 厂d u b o i s ) i s o v b r y h n i at r i c h o m i t r i ad i xe tt h e r h y p n u mp l u m a e f o r r a ew i l s g o l l a n i ar o b u s t a b r o t h 2 b a z z a n i ay o s h i n a g a n a ( s t e p h ) s t e p h e j cy a s u d a b r o t h e r e l l a ( d u b y ) f t e i s c h d i c r a n u m n i p p o n e n s eb e s c ha n dt h u i d i u mc y m b i f o l i u m ( d o z y e tm o l k ) d o z ye lm o l k d i c r a n u ms p ，i na l l ， t h ea d s o r p t i o nc o n t e n to fb a z z a n i ay o s h i n a g a n a ( s t e p h ) s t e p h e xy a s u d a , d i c r a n u mn i p p o n e n s e b e s c h ，a n dd i c r a n u ms p w e r el 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h e xy a s u d a ，d i c r a n u mn i p p o n e n s eb e s c h ，a n dd i c r a n u ms p t oh gi o nw e r el o w e rt h a no t h e r s p e c i e s ，t h i ss h o w e dt h e i ra c c u m u l a t i v ea b i l i t i e sw e r ew e a k e rt h a no t h e rs p e c i e sa n dm a y b er e l a t e d t ot h e i rg r o w nf o r m s t h eb r y o p h y t e sa d s o r p t i o nd y n a m i c st oh gc o u l db eg e n e r a l l yi m i t a t e db ye x p o n e n t i a l ( d o u b l e c o n s t e n t ) e q u a t i o n a n de l o v i c h e q u a t i o n b u te x p o n e n t i a le q u a t i o n i m i t a t e db r o t h e r e l l a r d u b y ) f l e i s c h b r y h n i a t r i c h o m i t r i ad i x e t t h e r ，e u r h y n c h i u me u s t e g i u m ( b r o t h ) d i x s a d s o r p t i o nd y n a m i c sb e t t e r ( r = 0 9 2 5 0 - - - 0 9 3 5 3 ) s i m i l a rt ot h ea d s o r p t i o np r o c e s s ，t h eb r y o p h y l e s d e s o r p t i o nd y n a m i c sc h a r a c t e rt oh g s o l u t i o n c o u l 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