铜胁迫下玉米叶片光谱奇异性分析及污染评估

为了区分不同浓度铜离子(Cu~(2+))胁迫引发玉米的叶片光谱间微弱信息差异和铜污染程度,根据玉米叶片实测的SVC高光谱数据和同步获取的玉米叶片中铜含量数据,利用Daubechies小波系中的"Db5"小波,得到玉米叶片光谱在350~2500nm波段范围小波分解的第5层高频组分(d5),并采用盒维法计算d5的分形维数,通过分形维数邻近变化率(α)讨论不同铜胁迫梯度下玉米叶片光谱分形维数的变化趋势,从而可对d5的奇异范围、奇异幅度等光谱奇异性参数进行定量计算和分析.结果表明:d5能精确地探测到玉米不同铜胁迫梯度污染的光谱奇异性弱信息,并实现不同污染程度玉米高光谱信号的分离;d5分形维数随污染程度的增加先减小后缓慢升高,最后达到峰值,其中Cu(100)分形维数值最小;CK(0)与Cu(100)间α为负,其他两个胁迫梯度区间内均为正,且Cu(100)和Cu(300)间α绝对值最小,而Cu(300)和Cu(500)间α绝对值最大;通过建立玉米叶片铜含量估算模型验证了玉米叶片中铜含量与奇异幅度及分形维数之间存在较强的相关关系,各胁迫梯度玉米叶片中Cu含量的差异均达到显著水平(为0.05),其决定系数R2=0.9501.所以,光谱高频组分分形维数和奇异性特征能够有效地诊断并定量分析玉米铜污染程度状况,从而可为作物重金属污染监测提供借鉴意义.     

作物重金属铜污染的HHT边际谱特征与污染预测模型

为了解读作物受重金属污染的光谱响应与光谱特征,以不同浓度梯度硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）胁迫土壤的盆栽玉米培养胁迫实验为研究对象,依据不同胁迫梯度下玉米叶片反射光谱以及叶片中Cu²⁺含量的测定数据,采用希尔伯特-黄变换（HHT）方法,研究了玉米叶片在不同Cu²⁺胁迫梯度下光谱的Hilbert边际谱变化特征与污染程度预测方法.通过构建玉米叶片光谱的边际谱熵（MSE）,边际谱幅值（MSA）、边际谱陡坡斜率（MSSS）和边际谱包围面积（MSEA）等特征参量,分析叶片在不同Cu²⁺污染程度下的边际谱变化;同时基于边际谱特征参量值与叶片中Cu²⁺含量的相关性分析和逐步回归统计,提出了玉米叶片重金属污染的Cu²⁺含量预测指数模型.实验结果表明,不同Cu²⁺胁迫梯度下,玉米叶片光谱的边际谱为分布在100Hz频率以内的连续谱;MSE值表现出与叶片中Cu²⁺含量呈负相关的变化趋势,而MSA、MSSS和MSEA值都表现出与叶片中Cu²⁺含量呈正相关的变化趋势;由于MSEA值与叶片中Cu²⁺含量的相关性最好,可把MSEA作为监测作物重金属污染衡量或预测的最优指标;根据MSE、MSA、MSSS和MSEA值构建的Cu²⁺含量预计指数模型应用结果比较,证明MSEA指数模型具有最优的预测能力.     

基于模糊神经网络的水稻农田重金属污染水平高光谱预测模型

以吉林省长春一汽厂附近3块不同重金属污染状况的水稻实验样地为例,通过地面实测获取了水稻的光谱反射率、叶片叶绿素含量、叶片及土壤重金属含量等数据.同时,在分析重金属对水稻叶片叶绿素含量影响的基础上,通过多元逐步回归分析选出对水稻叶片叶绿素含量微小变化指示灵敏的光谱参数作为模型输入层,并将水稻叶片叶绿素含量值作为输出层来表征农田重金属污染胁迫水平,最终建立了用于预测水稻农田重金属污染水平的模糊神经网络模型.结果表明,该模糊神经网络模型预测的水稻重金属污染胁迫水平与实测结果吻合度较高,预测的叶绿素含量值与实测值的拟合度较好(R2=0.985).表明在受重金属污染胁迫的情况下,水稻叶片叶绿素含量微小而复杂的变化可以通过构建模糊神经网络模型很好地模拟出来,从而确定出农田的重金属污染水平.     

Cd、Cu单一污染对小麦体内活性氧消除系统影响

采用溶液培养法,研究不同浓度Cd、Cu单一污染对小麦SOD、POD、CAT活性及MDA含量的影响。结果表明:(1)SOD和CAT活性对Cd胁迫反应较敏感,而POD活性变化不大,叶片中有效的活性氧自由基清除系统的平衡被打破,MDA含量增加;(2)Cu胁迫下,小麦叶片中MDA含量的变化趋势与根部的相反,在Cu处理浓度为25、50mg/L时,叶片中有效的活性氧自由基清除系统的平衡未被打破,MDA含量保持在较低的水平;而根部恰好相反,该系统出现了失衡现象,MDA含量偏高。     

李氏禾耐铜胁迫的积累特征及生理响应

在重金属铜(Cu)的胁迫作用下,通过水培李氏禾(Leersia Hexandra Swartz)研究其对Cu的耐受积累能力及生理响应特征,为植物修复Cu污染土壤提供理论支撑。结果表明:在不同Cu处理浓度下,李氏禾茎和叶部分对Cu的最大积累量可达到841. 65 mg/kg;高浓度Cu胁迫作用下,李氏禾叶片中的叶绿素含量降低,丙二醛(MDA)含量显著增加,叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(CAT)、过氧化氢酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的酶活性呈先升后降的趋势。随着Cu处理浓度的增加,脂质过氧化作用加剧,生长细胞受到严重损伤,李氏禾生长受阻,生物量下降。李氏禾虽不是典型的Cu超富集植物,但却对高浓度的Cu污染水体有较好的富集效果,可作为Cu污染区域的潜在修复植物。     

城市大气环境下绿化植物叶片比叶重和光合色素含量

研究了大叶女贞(Ligustrum lucidum Ait.)和小叶女贞(Ligustrum quihoui Carr.)在不同大气环境条件下叶片中Pb、Cd、叶绿素a (Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Car)的含量及比叶重(LMA),分析了因素之间的相互关系.不同环境条件下叶片中Pb、Cd、Chl a、Chl b、Chl (a+b)、Car的含量及LMA具有显著差异.随污染程度的加剧,叶片中Pb、Cd的含量、LMA和Chl a/Chl b升高,而Chl a、Chl b和Chl (a+b)含量则呈现相反的变化趋势.大叶女贞叶片中Car含量变化不明显,而小叶女贞叶片中Car含量在污染严重的采样点明显较其他采样点高.2种植物叶片中Pb、Cd的含量对叶片LMA和光合色素含量均具有明显影响,Chl a、Chl b及Chl (a+b)含量与叶片中Pb、Cd的含量呈显著负相关(P<0.05).叶片中Cd含量的增大导致Car含量增大,而Pb的作用与物种有关.叶片中Pb含量的增大导致2物种LMA增大,而Cd含量导致大叶女贞LMA增大而小叶女贞LMA变化不明显.污染胁迫下植物叶片会增大LMA、Chl a/Chl b,减小Chl a、Chl b和Chl (a+b)含量,据此可对大气污染进行生物监测.     

基于高光谱指数的水稻砷污染胁迫多重判别模型

水稻中过量砷(As)能够影响叶片中叶绿素含量、水分含量以及细胞内部结构,进而改变水稻在光谱上的特征表现.以表征叶绿素、水分含量、细胞结构的NDVI、NDWI、SIPI等9种高光谱指数和实测水稻叶片砷含量数据为基础,利用相关分析、主成分分析和独立变量分析方法,获得诊断指标对水稻砷污染胁迫进行多重光谱判别.结果表明,表征不同生理参数的高光谱指数PSNDa、fWBI、SIPI与水稻叶片砷含量高度相关,可作为砷污染单级光谱诊断参数;主成分因子F1、F2和独立变量因子ICA1、ICA2对水稻砷污染胁迫具有特殊反应,分别作为水稻砷污染胁迫的主成分诊断指标和独立分量诊断指标.综合上述3类诊断参数,构建水稻砷污染胁迫多重判别空间体系即光谱指数诊断空间(PSNDa-fWBI、PSNDa-SIPI、fWBI-SIPI)、主成分诊断空间(F1-F2)和独立变量诊断空间(ICA1-ICA2),从不同层面上综合诊断了实验区水稻砷污染胁迫情况,其中以表征叶绿素和细胞结构的光谱指数空间PSNDa-SIPI与主成分空间F1-F2诊断效果为最佳.     

钾肥对延胡索植株铜污染的缓解作用

缓解重金属污染对植物伤害的方法是目前研究的热点之一。铜(Cu)是植物生长发育所必需的微量营养元素。过量的Cu则对植物的生长发育有抑制作用。钾(K)是植物生长所必需的营养元素,施用钾肥(K2SO4)能明显增加植物的抗逆性。为了探讨外源K对Cu胁迫下延胡索植株生理生化响应的调节作用,为延胡索高效经济,优质高产的栽培模式提供理论与实践指导,以小叶型延胡索(Cf)和大叶型延胡索(C)为研究材料,采用土培的方法,研究外源K对Cu胁迫下2个延胡索叶型植株生长、抗氧化酶系统和Cu积累等的影响。结果表明:各浓度Cu胁迫下外源K的最适缓解浓度均为200 mg/kg。200 mg/kg K能明显缓解Cu胁迫对2种叶型(C和Cf)植株生长的抑制作用,增加植株的耐Cu性;尽管存在一定的叶型差异,但外源K能使2种叶型叶片中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)及过氧化氢酶(CAT)的活性降低,降低了叶片中的可溶性糖含量和丙二醛(MDA)含量,从而缓解Cu对延胡索植株的毒害。另外,外源K影响Cu对延胡索植株地上部分和地下部分Cu的积累,其影响程度与延胡索叶型有关,其中能显著降低大叶型延胡索植株地下部分Cu含量(p0.05)。机制较复杂。     

细胞分裂素类物质对镉胁迫下玉米幼苗生长和抗氧化酶活性及脯氨酸含量的影响

采用水培试验,研究了镉胁迫下喷施细胞分裂素类物质6-苄氨基嘌呤(6-BA)和激动素(KT)对玉米幼苗生长、叶片叶绿素含量、脯氨酸含量、植株镉含量和活性氧清除酶活性的影响.结果表明,与单纯镉胁迫相比,喷施6-BA和KT提高了玉米幼苗的生物量、根和地上部镉含量、叶绿素和脯氨酸含量,降低了叶片丙二醛(MDA)含量,促进了叶片过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性的升高,但对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响不明显.说明细胞分裂素类物质6-BA和KT可缓解镉胁迫对玉米幼苗的伤害,其机制可能与细胞分裂素物质能维持叶绿素稳定、刺激细胞内H2O2清除酶类活性及促进脯氨酸积累有关.当6-BA浓度在0～20mg·L-1之间时,其对玉米幼苗镉胁迫的缓解效应随喷施浓度的提高而增强,而KT的最适喷施浓度为70mg·L-1.     

铜胁迫对不同基因型谷子幼苗基因组DNA多态性的影响

采用室内盆栽土培法,以4种基因型谷子(D2-8、安06、黄米、朝谷)为供试材料,研究了不同浓度Cu2+胁迫对谷子幼苗体内可溶性糖、脯氨酸、丙二醛(MDA)含量和基因组DNA多态性的影响.结果表明,经50~400 mg·kg-1Cu2+处理30 d后,4种谷子幼苗体内可溶性糖含量与对照相比呈现先上升后下降的趋势,在50 mg·kg-1时达到最大值.当浓度为200mg·kg-1以上时,4种谷子的可溶性糖含量的平均降幅为对照的32.44%~56.5%.脯氨酸则表现为低含量(≤50 mg·kg-1)的促进和高含量(≥100 mg·kg-1)的抑制效应,MDA含量均有增加且与对照差异显著(P<0.05).Cu2+胁迫下不同基因型谷子幼苗基因组DNA的RAPD图谱发生明显变化,表现为单条或多条RAPD谱带的增加和缺失或者荧光强度的改变,细胞中基因组模板DNA的稳定性下降,DNA多态性变化与Cu2+浓度之间存在剂量-效应关系.不同基因型谷子对Cu2+胁迫的生理和遗传损伤响应存在差异.利用RAPD技术获得的DNA多态性变化可作为检测Cu2+遗传毒性效应的生物标记物.     

ToxTell生物传感器在Cu2+、Cd2+冲击活性污泥系统分析中的应用

探讨了不同浓度Cu2＋及Cu2＋和Cd2＋联合对活性污泥系统COD去除的影响,并采用ToxTell生物传感器,以活性污泥为指示微生物,分析了上述金属离子的毒性抑制作用.结果表明,Cu2＋浓度低于10 mg.L-1时,不会对该活性污泥系统带来明显的冲击作用,Cd2＋的加入明显增强了对该活性污泥系统COD去除的抑制作用,上述金属离子在抑制时间为1.5 h时对系统COD去除抑制率达到最大,随着曝气时间的延长,COD去除率呈逐渐上升趋势;ToxTell生物传感器的毒性分析结果与COD去除抑制率相近,初步证实该生物传感器能很好地用于活性污泥处理系统受Cu2＋、Cd2＋离子冲击的预警监测.     

两性复配修饰黏土对苏丹草修复Cu2+污染紫色土的影响

为了探索添加吸附材料对植物修复Cu²⁺污染土壤的影响,选取不同十二烷基二甲基甜菜碱 （BS-12）和十四烷基磺酸钠 （STS）复配修饰比例（50%BS-12+25%STS、50%BS-12+50%STS和50%BS-12+100%STS）的膨润土作为吸附材料,将其分别以1%的质量比加入到紫色土（PS）中,形成PS（对照）、PBS₂₅（50%BS-12+25%STS修饰膨润土混合紫色土）、PBS₅₀和PBS₁₀₀四种混合土样。采用盆栽实验对比苏丹草在0（CK）、50、100、200和500 mg/L Cu²⁺污染混合土样中的发芽率、株高、地上部和根系生物量,并分析混合土样和苏丹草对Cu²⁺污染的修复效果。结果显示,随着Cu²⁺处理浓度的增加,苏丹草在PS上的种子发芽率逐渐降低,而在各PBS土样上的发芽率基本保持先增加后稳定的趋势;不同Cu²⁺污染混合土样上的苏丹草株高均随生长时间的增加而增加。苏丹草地上部、根系干重和鲜重在PBS₂₅、PBS₅₀土样上均随Cu²⁺处理浓度的增大而降低,而在PS和PBS₁₀₀土样上均随Cu²⁺处理浓度的增加先增加后降低,峰值分别出现在200和100 mg/L的Cu²⁺处理。Cu²⁺污染处理下苏丹草各生理指标之间均保持中度以上正相关关系,且相关系数表现为PBS₁₀₀最高、PBS₂₅和PBS₅₀次之、PS最低的趋势。各混合土样对Cu²⁺的吸附能力表现为PBS₂₅ > PBS₅₀ > PBS₁₀₀ > PS,苏丹草对Cu²⁺的富集含量表现为PS > PBS₁₀₀ > PBS₅₀ > PBS₂₅的趋势,苏丹草联合两性复配黏土修复Cu²⁺污染紫色土的修复率达99%以上。     

重金属铜在黑土和棕壤中解吸行为的比较

采用一次平衡法研究吸附态Cu²⁺在黑土和棕壤上的解吸行为并进行了比较.结果表明,与棕壤相比,黑土吸附态Cu²⁺解吸有更长的滞后阶段,黑土在Cu²⁺的吸附量低于729.00mg·kg^-1(Cu²⁺处理浓度小于40 mg·L^-1),棕壤在Cu²⁺的吸附量低于393.29 mg·kg^-1(Gu²⁺处理浓度小于20 mg·L^-1)时,土壤吸附态Cu²⁺几乎不发生解吸.2种土壤吸附态Cu²⁺的解吸率均较低,尤其是黑土.在试验所采用的Gu²⁺处理浓度范围内,黑土与棕壤吸附态Cu²⁺的最高解吸率分别为6.60%和13.56%.Freundlich方程为描述2种土壤Cu²⁺等温解吸过程的最佳方程.黑土和棕壤吸附态Cu²⁺的解吸速率均较快,在40min左右基本达到平衡.描述黑土和棕壤解吸动力学过程的最优模型为双常数速率方程,其次为Elovich方程.     

紫外老化微塑料衍生DOM理化特性及其与磺胺嘧啶、铜的络合机制

微塑料在老化过程中所释放的溶解性有机质(MPDOM)可与有机污染物、重金属等污染物发生络合反应,影响污染物的迁移转化.选取聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚苯乙烯(PS)两种微塑料,利用荧光猝灭法及多种光谱分析技术和方法,同时结合Ryan-Weber模型,探究了MPDOM的光谱特性以及MPDOM与磺胺嘧啶(SDZ)、铜离子(Cu²⁺)的络合机制.紫外-可见吸收光谱分析结果表明,老化后两种MPDOM的相对分子量减小、芳香性及腐殖化程度增加,芳环上的羧基、羰基、羟基及酯类取代基增多.MPDOM与SDZ、 Cu²⁺的荧光猝灭均属于静态猝灭,猝灭后两种MPDOM的芳香性和腐殖化程度相近,相对分子质量相当.三维荧光光谱结合平行因子分析法共鉴定出两种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分.同步荧光光谱分析结果表明,两种MPDOM均以类蛋白组分优先与SDZ发生反应,与Cu²⁺反应时更为敏感.结合Ryan-Weber模型可知,两种猝灭体系均以类腐殖质组分与PET-DOM的结合能力更高,但总体来说SDZ猝灭体系中MPDOM的结合能力要强于Cu     

高效重金属捕集剂EDTC的结构表征及对酸性络合铜的去除特性研究

以乙二胺和二硫化碳为反应物,无水乙醇和去离子水的混合溶液为溶剂,制备了一种巯基类重金属捕集剂N,N-双(二硫代羧基)乙二胺(EDTC),采用紫外光谱、红外光谱和元素分析对其结构进行表征,重点研究了其对EDTA络合铜、柠檬酸络合铜和酒石酸铜3种酸性模拟络合铜的去除性能及螯合沉淀物的溶出特性,并探讨了EDTC脱除络合铜的机理.研究结果表明,处理50 mg·L-1的含铜废水,p H值范围为3~9,EDTC投加量为mEDTC/mCu=8(质量比),反应时间3 min,PAM投加量为1 mg·L-1,此时出水Cu2+浓度均低于0.25 mg·L-1,去除率达到99.5%以上.螯合沉淀物在弱酸性和弱碱性条件下很稳定,不易产生二次污染.红外光谱图分析结果表明,EDTC与Cu会发生螯合反应,即EDTC直接脱出络合铜中Cu2+,并与Cu2+生成难溶的螯合产物EDTC-Cu,进而有效地去除废水中Cu.     

ToxTell生物传感器在Cu2+、Zn2+冲击活性污泥系统分析中的应用

探讨了不同浓度Cu2+及Cu2+和Zn2+联合对活性污泥系统CODCr去除的影响,并采用ToxTell生物传感器,以活性污泥为指示微生物,分析了上述金属离子的毒性抑制作用.结果表明,Cu2+浓度为5mg·L-1时,其对活性污泥工艺CODCr去除存在一定的促进作用,随着Cu2+浓度的增加,其对CODCr的去除的抑制作用逐渐增强;Cu2+及Cu2+和Zn2+对活性污泥系统在抑制时间为1.5h时达到最大抑制状态,但随着曝气时间的延长,CODCr去除率呈逐渐上升趋势.ToxTell生物传感器对Cu2+和Zn2+的混合毒性具有良好的分析性能,其毒性分析结果与活性污泥工艺中CODCr的去除抑制率具有良好的一致性,初步证实该生物传感器能很好地用于活性污泥处理系统受Cu2+和Zn2+冲击的预警监测.     

铅与丁草胺的交互作用对油麦菜生长和抗氧化酶活性的影响

盆栽土培试验研究了重金属铅与除草剂丁草胺的复合污染对油麦菜生长及生理生化的毒性效应.结果表明土壤铅浓度小于500mg.kg-1对油麦菜发芽率的影响不明显,铅浓度为150mg.kg-1对油麦菜株高有促进作用,但对叶片过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性有明显抑制作用.土壤铅浓度为500mg.kg-1时,油麦菜根...     

沉积物产电信号原位在线监测水体铜污染研究

采用一种新型沉积物-微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cells,SMFCs)装置,探索产电信号原位在线监测湿地水体Cu~(2+)污染的可行性.采集水稻土装入烧杯并淹水以模拟湿地环境.将SMFCs装置的阳极不锈钢管插入水稻土,阴极淹没在上覆水中进行产电.采用数据采集卡在线记录电压.产电30 min后,分别向阴极附近的上覆水中加入5 mL Cu~(2+)浓度为50、100、200和400 mg·L~(-1)的CuSO_4溶液,对照加入5 mL去离子水,每个浓度处理设置两个平行.Cu~(2+)加入后,电压迅速上升并在30 s内达到峰值,之后随着Cu~(2+)扩散和被土壤吸附,电压回落并保持稳定.将加铜前30 min电压平均值作为基准电压,用加铜后的电压峰值减去基准电压得到电压增量.结果显示,电压增量与加入的Cu~(2+)浓度呈现显著正相关关系.为揭示相关机制,检测了CuSO_4溶液理化性质,并对加铜后SMFCs装置的阳极和阴极电荷传递电阻进行测定、对优势产电细菌梭菌属(Clostridium)和地杆菌科(Geobacteraceae)细菌16S rRNA基因进行定量.结果表明,Cu~(2+)促进阴极反应,是引起电压升高的主要原因.而底泥的吸附作用减弱了Cu~(2+)对产电细菌的抑制,保证了Cu~(2+)污染事件后产电信号恢复稳定.     

黄壤表面电场作用下Cu~(2+)与Zn~(2+)的吸附/解吸动力学研究

利用静态恒流法研究了黄壤表面电场作用下Cu2+与Zn2+的吸附/解吸动力学.结果发现:考虑黄壤表面电场作用下,Cu2+和Zn2+的吸附实验呈现初期强吸附作用下的零级动力学过程和一定时间之后弱吸附作用下的一级动力学过程,与理论预期一致;在Cu2+和Zn2+的解吸实验中,只有前期出现了弱吸附作用下的一级动力学过程,实验结果与理论预期存在差别,原因在于专性吸附的Cu2+、Zn2+很难被解吸下来;在交换/吸附实验中,Cu2+的吸附速率值和平衡吸附量均大于Zn2+,且Cu2+-K+体系的表面电化学参数φ0、σ0、E0均大于Zn2+-K+体系中的对应值,证明了黄壤颗粒表面对Cu2+的吸附作用强于Zn2+;在交换/解吸实验中,Zn2+的解吸速率值和平衡解吸量均大于Cu2+,Zn2+-K+体系的表面电化学参数φ0、σ0、E0均大于Cu2+-K+体系中的对应值,证明Zn2+-K+体系中Zn2+的解吸作用比Cu2+-K+体系中的Cu2+解吸作用强.