水葫芦修复污染水体的功能及其在工程应用中所面临的挑战

水葫芦(凤眼莲,Eichhornia crassipes(Mart)Solms)具有繁殖速度快、生物产量大、吸收氮磷能力强等特点,被广泛地用于净化污染水体,是国内外学术界公认的水体修复的优势物种。然而,目前水葫芦修复污染水体多停留在研究试验阶段,并未在水体污染治理生态工程中得到大规模应用。文章系统地总结了水葫芦修复污染水体的功能,并分析了水葫芦规模化应用于污染水体治理工程中面临的挑战。有关研究表明,水葫芦对生活污水、工业废水、畜禽养殖废水、地表径流水与富营养化河流、湖泊、水库水体中的氮、磷、重金属、有机污染物等均有较强的去除效果;规模化种养水葫芦修复污染水体面临的主要挑战包括:潜在的生态风险高,收获难度大、成本高,处置利用困难,商业化生产可行性低等。针对这些瓶颈问题,文章提出了破解的思路和今后的研究重点:(1)研究规模化安全种养的可靠技术,如种养围栏设施的研发、水葫芦适宜种养水域的选择和适宜的水面覆盖度等,以防范规模化种养的潜在生态风险;(2)加强研发快速高效、规模匹配的打捞-运输联动专用装备,优化打捞、运输技术方案,以期提高打捞效率,降低打捞成本;(3)深入研究水葫芦固、液分离技术,研发高效机械脱水装备,解决水葫芦含水量高、挤压脱水难题;(4)创新水葫芦资源化利用工艺,充分开发水葫芦经济价值,并探索政府生态补偿政策和办法,建立生态补偿机制,吸引企业参与,推动规模化种养水葫芦治污的产业化生产、企业化运行。     

水葫芦生态净化工程对竺山湖底栖动物群落结构变化的影响

在解决了机械化采收、资源化利用的终端处理后,利用适应性广、生物量大、净化能力强的漂浮植物净化污染水体,成为当前受污水体、尤其是富营养化水体生态治理的有效治理手段之一。在常规控养水生植物净化水体的工程实践中,主要是在风浪扰动小的岸边或内河里进行,在湖泊等多风浪扰动的较大水体中进行控养水生植物、净化水体的工程实践尚不多见。因此,根据江苏省通过种养水葫芦(Eichharnia crassipes)净化太湖受污水体的治理要求,江苏省农科院在太湖竺山湖中央水域连续进行了放养1000亩水面水葫芦的生态净化工程。本研究主要针对这种工程措施下,通过2011年控养水葫芦后研究其对水体环境的影响及底栖生物群落结构和多样性的变化。结果表明,软体动物(主要是铜锈环棱螺)的平均密度从远离到种养区内分别为15.13、15.63、22.63 ind·m-2,生物量从远离到种养区内分别为17.00、17.60、25.50 g·m-2,密度和生物量表现为种养区内要高于种养区外围;种养区内寡毛类(主要是霍甫水丝蚓)和摇蚊幼虫类的密度和生物量的变化表现为远种养区近种养区种养区内,表明以水葫芦为代表的漂浮植物规模化种养后,对底栖环境有一定的改善效果;然而,短期内的控养水葫芦进行水体生态治理,不能立即显现出明显的改善效果,尤其是对于太湖这样一个浅水、多风浪扰动的大水体,更需要长期、持久的多措施并举才能起到效果。利用Shannon-Weaver和Simpson指数来评价底栖环境,水体仍处于重度污染状态。因此,短期内规模化控养水葫芦生态净化工程措施未表现出对底栖生境及底栖生物的不良影响。     

莲缢管蚜对水葫芦生长的抑制作用

采用室外试验方法研究了不同密度和不同生育期的莲缢管蚜(Rhopalosiphumnymphaeae)对水葫芦(Eichhorniacrassipes)生长的影响.结果表明,莲缢管蚜成虫对水葫芦生长具有明显的抑制作用,表现在水葫芦植株鲜重减轻,总叶片数和新芽数减少,叶片枯萎数增加.低密度莲缢管蚜对水葫芦根和叶片生长的抑制作用不明显,但当莲缢管蚜密度大于20头·株-1时抑制效果显著,且随着作用时间的推移抑制作用更为明显.莲缢管蚜虽然对水葫芦生长具有一定的抑制作用,但由于其食性广泛,很可能会危及其他相邻水生植物,因此作为水葫芦天敌控制水葫芦生长的可行性还有待深入研究.     

滇池外海北岸封闭水域控养水葫芦对水质的影响

在滇池外海北岸污染严重的0.25 km2封闭性蓝藻治理试验示范区内控养水葫芦,以削减富营养化水体内源氮(N)、磷(P)等污染物,探讨有效改善湖泊水质的生物治理措施.6月底按9.30 kg m-2投放水葫芦种苗,控养面积2.51hm2,示范区水面覆盖度为10%.结果显示:水葫芦放养后生长迅速,特别是在7-9月份,最大生长速率达37 2.7 g m-2 d-1;整个植株干物质平均N、P含量分别为23.22 g kg-1和5.03 g kg-1,每t鲜重水葫芦吸收1.63 kg N、0.35 kg P,通过水葫芦种养示范工程,直接由示范工程水域吸收带走N 1.15 t、P 0.25 t;水葫芦生长期间(7-12月),种养区较对照区水体DO、SD和p H均有下降;水葫芦根系具有较好的吸附拦截浮游藻类效果,致使种养区水体TN、TP和CODMn浓度显著高于对照区(P<0.05),并与水体Chl-a浓度显著正相关(P<0.05);水葫芦采收后并未引起二次污染,水质无恶化趋势.综上认为,规模化控养水葫芦可显著削减水体N、P等内源污染负荷,同时对浮游藻类吸附拦截效果明显,可将其滞留于特定水域,又能吸收利用藻类衰亡释放到水体的污染物,减轻外部空白水域水质恶化的压力.     

中国农业固体废弃物秸秆的资源化处置途径分析

对中国近年来以秸秆为代表的农村种植固废的污染和危害做了简要说明,提出了两大类资源化处理处置技术:生物质资源化利用和生物炭资源化利用,并对各种资源化技术进行了初步的分析和比较。由于农业秸秆具有一定的元素和结构组成,是一种优良的生物质材料,可以通过秸秆肥料化、饲料化、生物质塑料技术、生物质能燃料转化和作为化工原料及建材来实现生物质的利用。同时由于秸秆可以转化为生物质炭,生物质炭具有固定大气碳素、改善土壤结构、修复受污染土壤、固持营养元素及提高作物产量的作用,因此生物质炭资源化利用也是很好的秸秆处置途径。文章对秸秆的资源化处理途径进行了总结和分析,指出了目前存在的不足和将来可能发展的方向。     

大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用

在滇池外海北岸重污染水域的0.25 km2封闭性蓝藻治理试验示范区内控养水葫芦(Eichhornia crassipe),通过鉴定与计数水体浮游藻类及监测水葫芦生理指标的变化,研究大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用。6月底按9.30kg·m~(-2)投放水葫芦种苗,12月底进行采收,水葫芦控养面积为2.51 hm2。结果显示,该水域共鉴定出浮游藻类隶属7门46种(属),控养水葫芦未显著影响浮游藻类群落结构;水葫芦控养区浮游藻类生物量高于对照区,控养区浮游藻类最大生物量为1.76×109 cells·L-1,是对照区的2.2倍;蓝藻门生物量占浮游藻类总生物量的88.0%以上,且以微囊藻为优势种群,控养区微囊藻生物量高达1.75×109 cells·L-1,是对照区的2.4倍;水葫芦根系对浮游藻类具有明显吸附作用,吸附的微囊藻最大生物量为1.67×109 cells·m~(-2)。吸附于水葫芦根系的高浓度浮游藻类未影响植株株高、根长、生物量的变化,对根系活力与叶片生理变化影响也较小,平均根系表面积和活跃面积分别为0.62和0.28 m2·g-1,平均叶片可溶性糖和可溶蛋白质分别为2.81和0.15 mg·g-1。综上分析,控养水葫芦改变浮游藻类空间分布特征,将其有效吸附滞留于控养区,防止其随风布满湖面;水葫芦根系吸附的高浓度浮游藻类未影响水葫芦正常生长。     

农田施用水葫芦对水稻磷素吸收利用的影响

为促进农田流失养分的循环利用,2009、2010年以粳稻品种运2645为供试材料,设计农田施用水葫芦(将晒干水葫芦按4 500 kg hm-2农田施用)、不施用水葫芦处理和施氮(N)量为120 kg hm-2(LN)、240 kg hm-2(NN)处理,研究其对水稻不同生育时期磷(P)素含量、吸收、分配和利用效率的影响.结果表明:1)农田施用水葫芦后,水稻不同生育时期植株含P率显著提高,各生育时期P素吸收量显著提高;2)农田施用水葫芦对水稻不同生育时期P素在茎鞘、叶片和穗中分配比例均无显著影响;3)农田施用水葫芦后,除够苗期外,水稻不同生育时期P素干物质生产效率极显著降低,P素籽粒效率显著降低,但P素收获指数无显著变化;4)农田施用水葫芦后,水稻产量显著提高;5)增施N肥后,水稻不同生育时期的植株P素含量和吸收量多得到显著或极显著的增加,P素干物质生产效率和P素籽粒生产效率多明显下降;6)水葫芦×N处理对稻株P素吸收利用多无显著互作效应;农田施用水葫芦使水稻植株含P率、P素吸收量显著提高,使P素干物质生产效率和P素籽粒生产效率多显著降低.     

燃煤烟气脱硫副产物在酸性土上的农用价值与利用原理

燃煤烟气脱硫副产物作为废弃物对环境的潜在威胁,促使人们对其资源化利用研究的重视。文章针对红壤地区土壤普遍缺乏营养元素的问题,通过分析盆栽和田间试验结果,探讨燃煤烟气脱硫副产物在酸性土壤上的农用价值与利用原理。结果表明,燃煤烟气脱硫副产物富含作物所需的营养元素,而红壤地区土壤又普遍缺乏这些元素;它具有独特的形态特征和理化性能,在酸性土壤中可以产生协同效应,因而具极高的农用价值。在酸性土壤上适量施用,可以提高土壤养分含量,改善土壤理化性质,提高土壤供肥性能和持水能力,促进作物对养分的吸收,从而达到废弃物农业资源化利用的目的。     

不同形态水葫芦和污泥联合厌氧消化产沼气性能

为探求不同形态水葫芦和污泥联合厌氧消化产沼气性能,在中温35±1℃条件下,设置了2个不同的TS浓度(TS=6%和8%),采用不同形态的水葫芦(水葫芦段、水葫芦浆、水葫芦渣、水葫芦粉和水葫芦汁)与污泥进行联合厌氧消化实验.结果表明,水葫芦和污泥联合厌氧消化的累积产甲烷量均高于对照组;添加水葫芦处理的累积产甲烷量从大到小依次为水葫芦渣水葫芦浆水葫芦段水葫芦粉水葫芦汁,水葫芦渣处理的累积产甲烷量比水葫芦汁提高62.5%(TS=6%)和84.5%(TS=8%);系统TS浓度为8%时,各处理的TS甲烷产率均高于TS浓度为6%的结果,且水葫芦渣和污泥联合厌氧消化的产甲烷性能最好,表明水葫芦的压滤和粉碎有助于提高厌氧消化的产甲烷潜力.     

压滤处理对水葫芦不同部位厌氧发酵的影响

为提高水葫芦的厌氧产气性能,将水葫芦整株、茎和根压滤,分别将压滤前后的水葫芦根、茎和整株以及压滤液接种进行中温批式厌氧消化实验,考察了发酵过程中产气量、pH值和挥发性脂肪酸的变化情况.结果表明,压滤处理明显提高了水葫芦各部位的厌氧产气能力,压滤后的水葫芦整株、根和茎的TS产气量分别为271.93、87.29和330.83 ml·g-1TS,较压滤前分别提高了75.33%、92.04%和72.95%;压滤处理对水葫芦各部位发酵过程中pH和挥发性脂肪酸含量的影响不大;水葫芦各部位压滤液的厌氧产气能力均较差,不适合进行厌氧发酵产气.因此,将水葫芦压滤后厌氧发酵是一种提高水葫芦厌氧生物转化率的可行的方法.     

农田施用水葫芦对水稻干物质生产与分配的影响

为促进农田养分循环利用和农业生态环境健康,以粳稻品种运2645为供试材料,设计农田施用水葫芦(将晒干水葫芦按4 500 kg hm-2农田施用)和不施用水葫芦处理(对照),施N量为120 kg hm-2(LN)、240 kg hm-2(NN),研究其对水稻物质生产与分配的影响.结果表明:1)农田施用水葫芦使水稻移栽~分蘖中期、分蘖中期~拔节期、拔节~抽穗期、抽穗期~穗后20 d和穗后20 d~成熟期平均分别比对照8.6%、9.8%、12.2%、15.9%和3.1%,使得成熟期生物产量显著增加(+9.0%);2)与干物质生产量相似,水稻平均叶面积指数(LAI)和净同化率(NAR)对水葫芦处理的响应呈相似的季节性变化趋势,但NAR在穗后20 d~成熟期有所下降;3)农田施用水葫芦对水稻不同生育时期叶片、茎鞘和稻穗占地上部干重的比例影响不大;4)增加施N量能够明显增加水稻的干物质生产量;水葫芦×N的互作效应对水稻干物质生产与分配无明显影响.5)农田施用水葫芦使水稻生育前、中期干物质生产量增幅较大,对生育后期影响相对较小.图5表3参15     

规模化控养水葫芦改善滇池外海水质效果研究

2011─2013年,在滇池外海水域实施了规模化控养水葫芦(Eichhornia crassipes)修复富营养化湖泊水体的试验性工程,以及外海湖体与控养区内、外水质的变化分析,探讨规模化控养水葫芦对外海水质的改善效果。结果表明:水葫芦在滇池外海控养水域生长迅速,安全可控,并未出现逃逸泛滥现象。2012和2013年水葫芦最大覆盖面积分别为556.39和257.87hm2,通过对其采收共计从外海水体带走氮691.89 t,磷57.40 t;工程实施期间,外海全湖水质得到一定的改善,水体TP平均浓度始终维持在较低水平,水体TN平均浓度显著下降,尤其2012年,外海湖体TN平均质量浓度由2011年的2.80 mg·L-1降至1.96 mg·L-1,同比下降了30.00%;水葫芦控养区内水体TN和TP平均浓度较控养区外分别下降了28.52%和13.04%。综上分析,规模化控养水葫芦可削减水体大量的氮、磷,尽管水葫芦覆盖面积不足外海水域面积的2.00%,但仍对外海全湖水质改善具有一定效果。该研究为规模化控养水葫芦应用于大型富营养化湖泊的治理提供了工程实践与理论依据。     

味精工业高浓度有机废水培养苏云金芽孢杆菌的研究

利用味精工业发酵废水进行了培养苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis,Bt）以生产生物农药的实验研究.经过对废水成分分析和预处理、Bt菌种驯化、摇瓶机发酵配方正交优化实验和生物毒性测定,探讨了一条经济可行的工艺路线.该工艺在利用发酵废水生产生物农药时不会产生二次污染问题,具有较高的工业应用价值,对于其他发酵工业废水的资源化处理也有一定参考价值.     

水葫芦(Eichhornia crassipes)基质中铜残留对蔬菜生长和食用安全的影响

将修复养殖水体中收获的水葫芦堆置发酵后作为基质材料是资源化利用的新思路,但由于养殖废水中普遍存在重金属如Cu的污染问题,因此资源化利用的关键是重金属对蔬菜生长的影响和食用安全问题。研究结果表明:基质中w(Cu)在0~600 mg·kg-1范围内对萝卜和空心菜的生长没有显著影响,而且其可食部分未超出GB15199—1994《食品中铜限量卫生标准》中Cu含量的安全限量标准(10.0 mg·kg-1);但基质中w(Cu)600 mg·kg-1时,空心菜根系中w(Cu)偏高(15 mg·kg-1左右)。空心菜可食部分w(Cu)(0.5~4 mg·kg-1)显著高于块根类的萝卜(0.2~1.6 mg·kg-1);2种蔬菜体内Cu含量与基质中可交换态Cu具有显著相关性。相同条件下,种植块根类萝卜的安全性比须根类空心菜要高。在评估基质中重金属污染对农产品食用安全的风险时,不仅需要考虑基质中重金属含量及其有效性,还要考虑蔬菜种类及其生物学吸收特性。     

外来入侵物种的基因签名及其遗传多样性聚类分析

密码子的使用频率分布能够反映一定的生物特性,因而可作为一种基因签名。本文使用CGR方法来研究外来入侵物种不同组织序列的基因签名及遗传多样性聚类分析,首先得出了刺花莲子草(Alternanthera pungens),紫茎泽兰(Ageratina adenophora),水葫芦(Eichhornia crassipes),微甘菊(Mikania micrantha),土荆芥(Chenopodium ambrosioides),一枝黄花(Solidago canadensis)等6种外来入侵植物的31条序列核苷酸字串长k=1到k=6的情况,并选取k=3,即基因序列的密码子,作为生物特性的一个重要表达。并且构造序列间的CGR欧式距离,进而对外来入侵植物序列遗传多样性进行了聚类分析。通过对所获得的6种外来入侵植物的31条序列的基因签名,得出如下结果：CGR是一种简便且计算量小的方法,且基于CGR方法的基因签名,具有典型的生物特性;入侵植物的基因序列在密码子的使用上是非均衡的,且物种亲缘关系近的,则基因签名相似越高;而且基因签名也揭示出了密码子的第三位碱基偏好使用碱基T的现象,与一般物种密码子第三位碱基偏好G/C情况有强烈反差。此外,从获得的6个物种的31条序列聚类谱系图可以直观看出,入侵植物间存在着一定的亲缘关系,遗传多样性较丰富。由于我们所建立的基于CGR方法的基因签名,不仅能够反映植物特性和进化关系,而且能揭示序列中密码子和碱基的偏好使用情况,因而该方法有利于对外来入侵物种的遗传多样性分析、风险评估及预防控制等提供科学依据。     

城市生活垃圾焚烧飞灰资源化处置技术及产品概述

城市垃圾焚烧飞灰由于其聚集着大量的重金属、二噁英、可溶盐等有害成分,被定义为一种危险废物.现有处置方法是对其进行安全化填埋或资源化利用,前者是目前的主流工艺.然而,随着土地资源的日益紧缺和人们环保意识的提高,更符合可持续发展的飞灰资源化技术近年来得到了广泛的关注.随着人们的持续开发与研究,已形成了多种各具特色的飞灰资源化技术,但总体而言,其仍多处于研究阶段,仅少数技术完成了工业化应用.本文根据最新有关飞灰资源化处理的研究报道,结合相关的行业标准及技术规范,对飞灰资源化处理的技术路线、产品、原理以及其各自存在的优缺点等进行了综述及评述,以期为飞灰资源化处理技术的实际工业化应用提供理论依据和技术参考.     

规模化控养水葫芦改善滇池草海相对封闭水域水质的研究

在滇池草海的封闭水域东风坝和老干鱼塘开展修复富营养化水体的试验性工程示范。定期监测水葫芦(Eichhornia crassipes)生长规律,富集氮、磷能力,以及2个水域水葫芦种养后水质的周年动态变化。结果表明,2个水域水葫芦最大生长速率均出现在7月,生长速率分别为759.3和601.6 g·m-2·d-1,12月基本停止生长,东风坝和老干鱼塘水域新鲜水葫芦对氮、磷的富集量分别为1.95、0.17和1.74、0.14 kg·t-1,水体营养化程度直接影响水葫芦生长特征。规模化控养水葫芦明显提高水体透明度,降低水体溶解氧浓度和pH,但既未明显影响鱼类生长,又有利于水葫芦的生长与繁殖。在水葫芦种苗初始投放覆盖度10%、投苗量为22.5 t·hm-2条件下,水葫芦种养后(7—12月)东风坝水体TN、TP和NH4+-N平均浓度比种养前(6月)分别下降7.79、0.67和0.91 mg·L-1,老干鱼塘水体TN、TP和NH4+-N平均浓度比种养前分别下降1.03、0.08和0.09 mg·L-1。水葫芦被机械化打捞后,2处水域水体TN和TP浓度并未明显回升,水质变化较平稳,表明规模化控养水葫芦修复封闭的富营养化水域水质效果明显。     

我国农村作物秸秆资源化调查研究

本文分析了全国秸杆资源化现状和存在问题，探讨秸秆的利用途径和开发价值，对合理开发利用全国的秸秆资源提出了初步建议。     

废碳粉中新污染物的环境健康风险与资源化利用

随着印刷业的快速发展,碳粉的产量不断增加,致使废碳粉排放量升高。目前,国际上对废碳粉的处置以直接填埋为主,在环境中持续累积且具有暴露风险。废碳粉中含有微纳米塑料、纳米氧化物、纳米炭等多种新污染物,存在潜在生态环境和人体健康风险。如何科学处置废碳粉,实现其资源化利用是管控废碳粉中新污染物环境健康风险的关键。该综述首先探讨了多种典型颗粒新污染物的单独和复合生态效应以及其与环境中土壤、水体等介质的相互作用,提出废碳粉可能具备生物毒性和生态风险。废碳粉可通过呼吸、接触及食物链传递等途径造成人体暴露,可能会对人体呼吸系统、肾脏、肝脏、肠道代谢、神经发育、心脏代谢、血管、生殖等产生毒性,其毒性具有尺寸、剂量和暴露时间依赖性。依据废碳粉的成分组成和性能分析归纳总结了其可能的回收和高值化利用技术,并对未来废碳粉的环境地球化学过程、环境健康和资源化利用等方面研究进行了展望,包括：1）发展环境中废碳粉的分离提取与检测定量技术,明确废碳粉的环境赋存量和赋存形态;2）结合实验室和中宇宙模拟与机器学习来探究环境相关浓度下废碳粉的生态和人体健康效应,并实现其风险评估;3）加强废碳粉回收和资源化利用的技术的创新,发...     

入侵植物南美蟛蜞菊营养器官的形态解剖研究

南美蟛蜞菊（Wedelia trilobata（L.）Hitchc.）是华南地区常见的入侵植物之一,其环境适应性强,繁殖速度快,对入侵地生态环境的破坏而导致生物多样性丧失的危害现象已经引起关注。结构与功能的相适应是生物学的基本观点之一,对入侵植物营养器官的内部形态解剖结构的研究,是理解入侵能力与其生物特性之间关系的直接路径,同时也是其他生理机理研究的结构基础。为研究入侵植物南美蟛蜞菊营养器官内部形态结构与其入侵能力的适应性,采用常规徒手切片技术对其根、茎及成熟叶片3大营养器官进行解剖及显微观察。结果表明：南美蟛蜞菊根、茎均具有次生结构。根韧皮部外方薄壁细胞具有分泌道,次生结构横切面中央为发达的次生木质部所填充,周皮代替表皮起保护作用,根的初生生长时期长,具有次生生长可视为其入侵定居时与本地物种形成地下资源和空间竞争的结构基础;茎的初生结构分化不久即产生次生结构,次生结构中央有明显的髓,次生维管束组织产生于初生结构的维管束之间并形成一管状结构明显将皮层和髓分开,茎内部组织高度木质化可视为是其茎直立生长及竞争地上资源和空间的结构基础;叶片为异面叶,上下表皮均具有气孔器和表皮毛,叶片内部具有分泌道,维管束发达且具有束鞘延伸,能与叶片表皮细胞共同构成辅助输导系统,叶片的结构特征是构成其喜阳植物的基础。此外叶片及根分泌道的存在可能与其化感物质的分泌有关。研究结果丰富了南美蟛蜞菊入侵适应性研究的背景基础,同时也弥补其在形态结构研究中的空缺。