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四川师范大学本科毕业论文稀土元素对紫背浮萍的生长状况影响分析四川师范大学本科毕业论文 稀土元素对紫背浮萍的生长状况影响分析学生姓名 秦超 院系名称 化学与材料科学学院 专业名称 环境工程 班 级 2008级7班 学 号 2008080707 指导老师 赵仕林教授 廖洋老师 完成时间 2012年5月15日 稀土元素对紫背浮萍的生长状况影响分析 学生姓名:秦超 指导教师:赵仕林,廖洋 内容摘要 稀土元素是具有生理活性的化学元素，已有研究表明：一定浓度的稀土对植物具有高效的促生长作用，对包括藻类在内的水生植物也有类似的生物效应。紫背浮萍是一类生长周期短、繁殖快的小型水生漂浮植物。本文通过测定紫背浮萍鲜重及培养水体DO，COD，以及总P总N，叶绿素含量几个指标研究了不同浓度Ce3+，La3+,Nd3+及几种元素混合培养对紫背浮萍生长状况的影响。实验结果表明：适宜浓度范围内的稀土能有效促进浮萍对水体P的吸收，增加鲜重，降低水体DO，提高水体COD。并能提高叶绿素含量，增强浮萍的光合作用，促进植物生长。关键词：稀土元素，紫背浮萍，光合作用，促进生长Impact analysis of rare earth elements on the growth conditions of the duckweed SpirodelaAbstract：Rare earth elements is a physiological activity chemical element, studies have shown that: a certain concentration of rare earth efficient growth promoting effect on plants, also have similar biological effects on aquatic plants, including algae. The purple polyrrhiza a short growth cycle and fast breeding small aquatic floating plant.By measuring the fresh weight of duckweed Spirodela and training water DO, the COD, and total P, Total N,chlorophyll content of several indicators to study the impact of different concentrations of Ce3+, La3+, Nd3+ and several elements mixed culture.Spirodela duckweed growth status. The experimental results show that: within the scope of the appropriate concentration of rare earth can effectively promote the duckweed water P absorption, increase in fresh weight, reduce water DO improve water COD. And to increase the chlorophyll content, enhance the duckweed photosynthesis, and promote plant growth.Key Words: Rare earth element; Duckweed Spirodela; Photosynthesis; Promote growth目录1.前言42. 稀土元素对紫背浮萍生长状况影响试验52.1 实验仪器及药品52.1.1 实验仪器52.1.2 实验材料及药品52.2 第一阶段实验方案52.2.1紫背浮萍的培养52.2.2培养液的配置62.2.3稀土种类，浓度的设置及样品数62.2.4 测定指标及方法72.3 第一阶段实验结果72.3.1紫背浮萍鲜重72.3.2 DO变化量92.3.3 讨论102.4 第二阶段实验方案102.4.1紫背浮萍的培养及培养液的设置102.4.2稀土种类，浓度的设置及样品数102.4.3 测定指标及方法112.4.4 培养周期112.5第二阶段实验结果112.5.1水体COD112.5.2水体TP122.5.3水体TN142.6 第三阶段实验方案152.6.1稀土种类，浓度的设置及样品数152.6.2测定指标及方法152.7第三阶段实验结果153 结论16参考文献17致谢18稀土元素对紫背浮萍的生长状况影响分析1.前言我国是稀土资源大国，稀土储量和产量均居世界首位，在19个省市自治区都发现有稀土矿藏，而且矿物品种齐全。稀土工业应用于二十世纪60年代开始迅猛崛起，由于其同时具有光、电、磁以及生物等多种特性，在生物技术、信息技术、能源技术等高科技领域和国防建设中是重要的基础材料，同时对农业、化工和建材等行业的生产也起着重要作用。当今，稀土已广泛应用于冶金、军事、石油化工、玻璃陶瓷以及农业等方面，并在应用范围和施用量上不断增大。随着稀土在各个领域的广泛应用，尤其是在农业上的大规模使用，稀土元素及其化合物大量进入环境。特别是通过工业废水排放和农田地表径流等进入水体的稀土不断增加，对水生生态环境带来潜在的影响，并有可能通过食物链而影响人体健康，因此有关稀土元素在水体中的环境化学行为及生物效应研究令人关注。随废水排放、农田径流等途径而进入水体的外源性稀土,由于络合、颗粒吸附及水生动植物的吸收等,水体中可溶性稀土浓度会迅速下降。诸多研究研究表明，适宜浓度的稀土对植物的生根、生长、增产等具有促进作用。植物对稀土元素的吸收具有一个临界含量，只有当外源稀土施用量达到一定的适宜浓度时，其才表现出对植物生长发育的促进作用，而达不到这一浓度时对植物生长没有明显影响，且当稀土浓度超过该临界含量时，植物生长将受到抑制甚至产生毒害作用。稀土对水生藻类等水生植物生长的影响,一般取决于稀土元素种类本身,而与其化合物类型则关系不大。稀土对水生动植物的影响,主要与酶活性及糖、脂肪和蛋白质代谢的抑制有关,类似于重金属离子的生物效应。紫背浮萍是一种结构简单的种子植物，在中国有着广泛分布。由于其对水体中的N，P有较强的吸收能力，常被用作处理N，P废水的植物。但在自然水体中只要有足够的营养物质与适宜的水温，水流条件等，其能在这些区域中迅速的大量繁殖，而对原水生环境造成一定的影响，妨碍水体中其他生物的生存。故以紫背浮萍为研究对象，为探究浮萍类的水生植物生长状况进而研究因其导致的水体富营养化污染现象有一定的现实意义。课题组已有研究表明，稀土元素Ce3+对紫背浮萍鲜重等指标有明显的影响，较低浓度的Ce3+会促进紫背浮萍的生长，而较高浓度的Ce3+会抑制其生长甚至导致其死亡。本文以已有研究为基础，在实验室条件下对不同浓度的Ce3+，La3+，Nd3+及几种元素混合培养。以鲜重等指标初步探究了稀土元素对紫背浮萍的生长状况影响。为探究浮萍类导致的水体富营养化现象提供依据。2. 稀土元素对紫背浮萍生长状况影响试验2.1 实验仪器及药品2.1.1 实验仪器 恒温培养箱，DO仪，SHB-B95A循环水式多用真空泵，可见分光光度计，荧光光度计，离心机，PH计，消解仪 等。2.1.2 实验材料及药品 本实验于2月底气温回暖在四川师范大学已经富营养化的柳堤餐厅外沟渠中捞取适量长势良好的紫背浮萍，将其培养于实验楼一楼外的微型水池中，从微型水池中选取生长良好的紫背浮萍进行后续实验。KH2PO4，KNO3，Ca(NO3)24H2O, MgSO47H2O, H3BO3, MnCO3 , CaSO45H20,ZnO H2MoO4 FeSO47H2O Na2EDTA（分析纯） 碳酸钙，石英砂，95%乙醇，蔗糖，丙酮，三氯乙酸，硫酸钼酸铵-硫酸亚铁，抗坏血酸，Na2HPO3，CeCl3，LaCl3，NdCl3 。2.2 第一阶段实验方案2.2.1紫背浮萍的培养选取较好的紫背浮萍个体，每个样品内培养0.8g，放于1L的烧杯中培养，烧杯杯身用黑色塑料袋遮光处理，避免光线从杯身方向射入，置于25培养箱中，用箱内日光灯模拟自然光（4000-5000lx），光照比13:11，每天搅动一次营养液。2.2.2培养液的配置 培养液采用参考其他文献改进后的Hoagland营养液，具体如表1所示：表1营养液配方表溶液种类溶液浓度（mg/L）加入体积(ml)KH2PO4KNO3Ca(NO3)24H2OMgSO47H2OH3BO3MnCO3CaSO45H20ZnOH2MoO4FeSO47H2ONa2EDTA136.09505.001180.75492.942.861.050.080.060.0227.8337.302101042222222再加入各自所需的稀土溶液后定容为1L，用NaOH和H2SO4调节pH至7左右。2.2.3稀土种类，浓度的设置及样品数2.2.3.1Ce 采用CeCl3，Ce的浓度梯度设置为0.00mg/L(空白)、0.60mg/L、1.20mg/L、1.50mg/L、1.80mg/L、2.10 mg/L。每个浓度设置2个样品。2.2.3.2 La 采用LaCl3，其浓度设置及样品设置均和Ce一样。2.2.4 测定指标及方法 2.2.4.1 样品鲜重 每三天测定各个样的紫背浮萍鲜重。称量方法如下：将紫背浮萍进行抽滤，至无水滴下滴后平铺在吸水纸垫上，吸水5min后用电子天平进行称量。称完后迅速将紫背浮萍倒回原来的培养烧杯中，再次称量吸水纸重量，两次重量之差得到鲜重。同时拍照。2.2.4.2 样品溶解氧 于每次抽滤前和重新配得营养液后用便携式溶解氧测定仪进行测定并记录。2.3 第一阶段实验结果2.3.1紫背浮萍鲜重 如图1，图2所示，排除实验操作误差影响，各组实验紫背浮萍鲜重随时间的变化趋势总体表现为，鲜重随天数的增加而增重。前三天各组实验中不同浓度下鲜重基本相近。第3天后，鲜重的变化量产生较大差异。单独添加Ce组的鲜重变化图1显示，第3天之后，0.6mg/L,1.2mg/L和1.5mg/L的Ce浓度下培养的紫背浮萍鲜重增加量大于同时期的空白组，且1.2mg/L的Ce浓度下的鲜重增加量最大，而1.8mg/L和2.1mg/L的Ce浓度下的鲜重增加量则低于空白组。第6天后各浓度的实验组均高于空白组，且1.2mg/L的Ce浓度下的鲜重增加量最大。1.5mg/L浓度下的鲜重增加量最小。 单独添加La组的鲜重变化图2显示，第3天之后，不同的La浓度下培养的紫背浮萍鲜重增加量均大于同时期的空白组，且2.1mg/L的La浓度下的鲜重增加量最大。第12天后0.6mg/L略低于空白样，其他浓度鲜重均高于空白样，且2.1mg/L的La浓度下的鲜重增加量最大。图 1单独添加Ce各浓度梯度的紫背浮萍鲜重变化情况 图 2单独添加La各浓度梯度的紫背浮萍鲜重变化情况2.3.2 DO变化量 水体DO变化量表示的是三天培养时间内水体DO的差值，差值越小表示该段时间内溶解氧消耗量越大，水质越差。排除实验操作误差及气温，大气压影响，两组实验各稀土浓度下培养液水体DO变化量表现出大致相似的趋势，前9天水体中溶解氧消耗量比较大，随后水体中溶解氧消耗量降低，且消耗量相差不大。比较不同浓度稀土培养液DO变化量情况，本实验两组实验数据反应出来的DO变化量与浓度的关系不明显。图3单独添加Ce组各浓度下水体DO差值变化图4单独添加La组各浓度下水体DO差值变化2.3.3 讨论 两组组稀土实验，紫背浮萍的鲜重数据结果显示，随着培养时间的延长，鲜重增加，表，明有机体在进行一定的生长和繁殖。水体DO随时间的降低，表明在紫背浮萍的生长繁殖过程中，将消耗水体中DO。各组不同稀土浓度下紫背浮萍鲜重在前3天差异不大，表明紫背浮萍从原生境中转移到新环境可能需要一定时间的调节适应，此期间更主要可能受到生物体自身生理调控，而环境因素（稀土）对其影响不大。3天之后，各组在不同浓度下培养的紫背浮萍开始表现出较为显著的差异。 单独添加Ce各实验组在1.2mg/L的浓度下的鲜重增加量最大，DO消耗量最大，表明该浓度下的Ce能有效促进浮萍生长繁殖。单独添加La各实验组在2.1mg/L浓度下鲜重增加量最大，DO消耗量最大，表明该浓度下的La能有效促进浮萍生长繁殖。2.4 第二阶段实验方案2.4.1紫背浮萍的培养及培养液的设置 与第一阶段相同。2.4.2稀土种类，浓度的设置及样品数2.3.2.1 La 采用LaCl3，其浓度梯度设置为0.00mg/L(空白)、0.60mg/L、1.20mg/L、1.80mg/L、2.10 mg/L。每个浓度设置2个样品。2.4.2.2 La，Nd，Ce混合 采用CeCl3，LaCl3，NdCl3，其浓度设置梯度与La一致。2.4.3 测定指标及方法2.4.3.1 水体COD 采用高锰酸钾法。2.4.3.2 TP 钼酸铵分光光度法GB 11893-89，并且消解选用国标方法中的过硫酸钾消解法。2.4.3.3 TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法GB 11894-89。2.4.4 培养周期 每五天测定一次。期间不更换培养液。2.5第二阶段实验结果2.5.1水体COD如图5，图6，所示,各组实验浓度下培养液水体COD随时间的变化趋势大致表现为：前五天各组COD差值不大,第五天之后有较快增长，到第十天左右各组有较大差异,15天后COD增至最大,且各浓度实验组均高于空白组,其中1.20mg/L组增长最快，且COD值最高。图5单独添加La组各浓度下水体COD值变化 图6添加La ,Nd,Ce混合元素各组浓度下水体COD值变化2.5.2水体TP 如图7和图8，La浓度组以及混合稀土浓度组紫背浮萍TP的量随时间的变化的趋势规律。单独添加La各浓度总P含量的时间变化如图7所示，排除实验操作误差影响，水体中TP含量均不同程度降低，且在前五天变化最快，其中1.20mg/L浓度的变化量最大，即水体中的TP消耗量最大，1.80mg/L浓度变化量次之。且均高于空白组。0.60mg/L La浓度下的P变化量最小，即水体中的TP消耗量最小。 混合添加稀土元素各浓度总P如图8所示，其变化规律基本和单独添加La一致。各稀土浓度下紫背浮萍对P的吸收量均高于空白对照组，1.20mg/L浓度最高，2.10mg/L浓度略次之。图7单独添加La组各浓度下TP量变化图8添加混合Ce,Nd,La组各浓度下TP量变化2.5.3水体TN 图9和图10是La浓度组以及混合稀土浓度组紫背浮萍TN的量随时间的变化的趋势规律。由图9可知:单独添加La元素各组样品水体中TN值均随培养天数的增加而减少，但各组含量相近，1.20mg/L La浓度下水体中TN略低于其他组，即培养水体TN消耗量最大，紫背浮萍对水体中N的吸收量最大。且各组水体中TN值均略低于空白组。 由图10可知:添加混合稀土浓度组紫背浮萍TN的量随时间的变化趋势规律，与单独添加La元素组的规律相似。图9单独添加La组各浓度下TN量变化图10添加混合Ce,Nd,La组各浓度下TN量变化2.6 第三阶段实验方案2.6.1稀土种类，浓度的设置及样品数2.6.1.1 Nd 采用NdCl3，其浓度梯度设置为0.00mg/L(空白)、0.60mg/L、1.20mg/L、1.80mg/L、2.40 mg/L。每个浓度设置2个样品。2.6.1.2 La，Nd，Ce混合 采用CeCl3，LaCl3，NdCl3，其浓度设置梯度与Nd一致。2.6.2测定指标及方法2.6.2.1叶绿素含量 称取紫背浮萍0.20g，放入研钵中，加少量碳酸钙粉和石英砂及35ml 95%乙醇研成匀浆，再加约10ml 955乙醇稀释研磨后，用滤纸过滤入25ml容量瓶中，然后用95乙醇滴洗研磨及滤纸至无绿色为止，最后定容至刻度，摇匀，得叶绿素提取液。取光径为1cm的比色皿，倒入叶绿素提取液，以95乙醇为空白对照，采用分光光度计在663,645nm波长下测定叶绿素吸光度A 值，根据公式(1)和(2) 计算叶绿素浓度。Chla = 12. 7A663 - 2. 69A645 (1)Chlb = 22. 9A645 - 4. 68A663 (2)式中，Chla 、 Chlb 分别为叶绿素a、叶绿素b的浓度(mgL- 1) ；A663和A645分别为叶绿素溶液在663nm和645nm处的吸光度。2.7第三阶段实验结果叶绿素是绿色植物体内的基本色素，在光合作用的光能吸收，传递和转化中起重要作用。叶绿素含量是植物生长过程中的一个重要的生理指标，由于其对周围环境很敏感，并与植物的光合作用，营养吸收等密切相关，被广泛作为植物生长的常规测定指标项目。不同Nd浓度下培养的紫背浮萍中叶绿素含量如图11所示，各实验组Nd浓度下培养的紫背浮萍叶片内的叶绿素含量略高于空白组，且1.20mg/l浓度的最高，2.40mg/l略次之。而0.60mg/l的含量最低。添加La、Ce、Nd混合溶液各浓度梯度的紫背浮萍叶绿素含量变化如图12所示：各浓度下培养的叶绿素含量均与空白组相近，除2.40mg/l明显高于空白组外，其余均与空白组接近且略高于空白组。其中2.40mg/l浓度的最高，0.60mg/l的最低。图11不同Nd浓度下培养的紫背浮萍中叶绿素含量图12 添加La、Ce、Nd混合溶液各浓度梯度的紫背浮萍叶绿素含量3 结论 本研究通过三部分的实验，探究了稀土（Ce、La、Nd）对紫背浮萍生长状况及光合作用的影响，得出主要结论如下： （1） 适宜低浓度范围内的稀土元素能有效促进紫背浮萍对N、P营养元素的吸收，促进紫背浮萍生长，增加鲜重，提高叶片内叶绿素含量，排除实验操作误差影响，从增长趋势和稳定度来看，各实验组均以1.20mg/l为最佳促进浓度。 （2） 镧、铈及钕对紫背浮萍的影响差别不是很大，混合镧、铈、钕与单稀土元素下对紫背浮萍的影响差异也基本保持一致。 （3）适当浓度的稀土元素能促进紫背浮萍生长，同时导致水体DO降低和增加COD，进而加速水体富营养化进程。 本次研究初步探明了低浓度稀土对紫背浮萍类小型水生植物的生长促进作用以及对水体富营养化的加速影响，但未能探明多高浓度稀土能对其产生抑制及毒害作用。参考文献1李振宏,伍虹. 我国稀土应用的现状与前景J.稀土，1996，17(6)：48-532胡勤海,金明亮.稀土元素在水体中的环境化学行为及其生物效应J.农业环境保护，2006，25（5）：274-2773俞集良. 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