面向非环境专业本科生讲授《环境学概论》的几点探索

文章结合为非环境专业本科生讲授《环境学概论》课程中发现的问题，有针对性地进行了一些相关探索，取得了较好的教学效果。

土壤镉污染毒性效应的多指标综合评价

以草甸棕壤为供试土壤，以蚕豆幼苗根尖有丝分裂指数、染色体畸变率以及微核率，幼苗叶片内抗氧化酶活性、植物内源激素含量为指标，采用盆栽方法研究了0～10 mg.kg-1镉胁迫对植物细胞的遗传和生态毒性效应.结果表明，在此浓度范围内，蚕豆根尖细胞有丝分裂指数、染色体畸变率以及微核率均随镉浓度增加呈显著的剂量-效应正相关关系，其中微核率变化最为明显，处理组微核率分别为对照组的1.43～3.22倍;蚕豆幼苗叶片内的SOD和POD活性变化呈先升高后下降的趋势;而CAT活性随镉浓度增加其变化规律与SOD、POD相反.此外，镉胁迫下植物激素脱落酸（ABA）、赤霉素（GA3）与细胞分裂素类的玉米素和玉米素核苷总含量（Z＆ZR）均表现出低浓度下诱导和较高浓度下诱导率降低的趋势，在镉浓度为2.5 mg·kg^-1时3种植物激素含量均达到最高值，分别比对照组增加了6.6%、4.0%和12.6%.研究表明，各指标对污染物的毒性具有响应且响应的域值及其敏感度不同，将各指标综合使用可使土壤镉污染的遗传和生态毒性诊断更为有效。

脉冲电晕放电等离子体-活性炭协同去除废水中重金属离子和有机物

为了同时去除废水中的重金属离子和有机污染物,以镉离子(Cd2+)和酸性橙7(AO7)为目标污染物,研究比较了活性炭(AC)、脉冲电晕放电等离子体(PCDP)以及PCDP结合AC(PCDP-AC)3种体系对废水中Cd2+和AO7的去除效果。考察了脉冲放电电压、载气种类、溶液初始pH值和电导率对Cd2+和AO7去除的影响。结果表明:PCDP-AC体系可以同时有效地去除废水中的Cd2+和AO7,且去除效果明显好于AC和PCDP单独处理;增加脉冲放电电压,可以提高Cd2+和AO7去除率;氧气作为载气的去除效果高于空气或氮气作为载气的去除效果;酸性条件下AO7的去除率好于碱性条件,而Cd2+的去除率在碱性条件下好于酸性条件;增加溶液初始电导率,会导致Cd2+和AO7去除率下降。

污灌农田土壤-作物体系重金属污染评价

对陕西省西安市污灌区农田土壤、小麦和蔬菜等农作物样品的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量进行了测定。结果表明,研究区土壤Cd、Pb平均值高于西安市和陕西省土壤背景值,Cu、Zn平均值高于陕西省土壤背景值。相关性分析结果显示,土壤Cd和Pb呈显著正相关关系,Zn与Cr、Cu分别呈显著和极显著正相关关系。结合主成分分析可知,土壤Cd和Pb主要受人为因素影响,Cr、Cu、Zn主要受成土母质影响。潜在生态危害指数法和内梅罗污染指数法的结果均表明污灌区农田土壤Cd已达到最强污染级别。污灌区小麦样品中Cr、Pb超标率分别到达70.00%和80.00%,茄果类蔬菜Cd、Cr和Pb超标率分别为66.67%、100%和66.67%,花菜类和叶菜类中Cd、Cr和Pb超标率均为100%。建议污灌区尽量避免种植重金属转移系数高的花菜类和叶菜类蔬菜,并对含Cd污水经过严格处理后再用于灌溉。

关中平原畜禽粪便重金属农用风险估算

通过在关中平原畜禽养殖集中的县区采集畜禽粪便和饲料样品,测定其中Cr、Cu、Pb、Zn等重金属元素含量,以评估施用畜禽粪便造成的土壤重金属累积速率和安全使用年限.结果表明,牛粪、鸡粪、猪粪样品中Cr超标率分别为7.69%,4.35%和8.00%,而猪粪中Cu、Zn超标率分别达到76.00%和8.00%.饲料样品中Cu、Zn含量高于Cr、Pb含量,且与畜禽粪便Cu、Zn含量呈极显著正相关关系结合主成分分析可知,畜禽粪便中Cu、Zn主要来源于饲料.形态分析结果显示,畜禽粪便中Cu,Zn的有效性很高,尤其是鸡粪中Cu、Zn的有效态含量最高若畜禽粪便施用量保持在当前水平,则施用畜禽粪便24.4~131.0年和69.7~91.9年后,大棚土壤中Cu、Zn含量即可从土壤背景值分别达到安全临界值,因此,畜禽粪便农用时不仅要控制其施用量,还应适当减少饲料中Cu、Zn添加量.

植物CytP450和抗氧化酶对土壤低浓度菲、芘胁迫的响应

以小麦(Triticum acstivnm)为供试植物,草甸棕壤为供试土壤,以微粒体细胞色素P450及抗氧化酶SOD、POD和CAT酶活性为指标,进行了土壤中菲、芘单一及复合胁迫响应研究。结果初步表明,菲、芘胁迫引起植物体内解毒代谢和抗氧化防御酶反应。菲、芘单一胁迫浓度为1mgkg-1时对细胞色素P450产生显著诱导;4mgkg-1时P450酶含量明显被抑制,表明低浓度菲、芘单一胁迫对植物代谢解毒系统产生损伤;而菲、芘复合1mgkg-1时P450酶含量明显被抑制,说明菲、芘复合胁迫对植物的代谢解毒具有协同毒性效应。土壤中菲、芘单一胁迫未引起SOD酶活性的明显改变,复合胁迫下SOD酶活性出现微弱下降;菲、芘单一胁迫对CAT和POD酶活性具有显著抑制作用;复合胁迫对CAT产生抑制作用,而POD酶活性并未对菲、芘复合产生增强毒性响应。研究从代谢解毒和抗氧化防御酶系统两方面,为土壤低浓度PAHs污染诊断提供了实验依据。

Fe、N掺杂活性炭负载TiO_2光催化降解酸性橙Ⅱ的研究

【目的】研究掺杂的活性炭负载型TiO2(TiO2/AC)光催化剂,在紫外光作用下对酸性橙Ⅱ(AO7)的去除效果,以寻求一种在有机废水处理中催化活性较高且易回收的光催化剂。【方法】用硝酸铁和尿素分别作Fe源和N源,以活性炭(AC)为载体,采用溶胶-凝胶和浸渍-焙烘相结合的方法,制备出Fe、N单独掺杂及Fe-N共掺杂TiO2/AC光催化剂,分析其对AO7的去除效果。【结果】单独掺杂制备的TiO2/AC催化剂对AO7的去除率随着掺Fe量(n(Fe)∶n(Ti))和掺N量(n(N)∶n(Ti))的增加先升高后降低,当n(Fe)∶n(Ti)和n(N)∶n(Ti)分别为0.1%和3.2%时,AO7的去除效果较佳。Fe-N共掺杂制备的TiO2/AC催化剂中,Fe、N和Ti的物质的量比为0.2%∶4.8%∶1时,催化剂具有较好的催化性能,经过3h的光催化反应,AO7的去除率可达到90.5%。【结论】Fe-N共掺杂对TiO2/AC的催化性能具有协同作用,其催化能力明显优于Fe、N单独掺杂样品。

张士灌区多环芳烃污染土壤的植物修复

以我国典型污灌区-沈阳张士污灌区某农田土壤为研究对象,进行了土壤中多环芳烃(PAHs)污染物种类与含量的调查研究,分析了PAHs的主要来源。同时,以13种牧草/草坪草为供试植物,开展PAHs污染土壤高效修复植物的筛选工作,修复周期约为80d。研究结果表明,张士灌区农田土壤受到严重污染,从土壤中分析检测到USEPA16种PAHs中的13种,含量达2294μg·kg-1(干重),远高于荷兰农业土壤的PAHs标准。盆栽试验结果表明,不同植物对土壤中PAHs的去除效果不同,紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、巴林(Poa pratensis L.)、高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)和白三叶草(Trrifolium repensL.)等植物对土壤中PAHs去除效果较好,适合用于张士灌区农田土壤的修复与治理。

土壤污染防治立法的自然基础与基本原则

从农用地面积大且关系食品安全、重金属污染是主要的土壤污染来源且难以防治的现实出发,界定了土壤的内涵及类型,分析了土壤重金属污染的来源和特点,在此基础上,提出《土壤污染防治法》应当确立未污染土壤优先保护、自然恢复为主、正面激励等基本原则的立法建议,以期实现改善环境质量、推动生态文明,建设美丽中国之目的。

关中地区日光温室重金属污染及其田块尺度下的特征

对关中地区8个日光温室集中分布区域土壤重金属污染进行了调查,并比较了两个相同年限相近位置日光温室污染分布特征,在田块尺度下应用ARCGIS软件地统计学模块进行了插值模型分析。结果表明,8个日光温室采样点污染负荷指数（PLI）在1.087-1.723之间,均为中等污染;区域PLI值为1.311,区域日光温室土壤重金属为中等污染。地统计学插值图表明1号日光温室Cd,2号日光温室Cd、Cu、Pb均出现不同程度累积。在田块尺度下,日光温室1中Cd上层土壤分布高于下层,Cr、Cu和Pb在0-1 m土壤随机分布;日光温室2中Cd和Cu上层土壤分布高于下层,Pb和Cr下层土壤分布高于上层。日光温室重金属污染具有复杂性,即便相同年限相近位置不同日光温室内土壤重金属污染特点也不尽相同。

生菜地上部镉累积规律及其与矿质元素浓度的关系

为探究镉污染条件下日光温室生菜在整个生育期内对镉的吸收规律及其与矿质元素吸收的关系,采取田间试验的方法,以立生二号生菜作为供试材料,种植在镉污染(Cd浓度1.87 mg·kg^(-1))日光温室内。在整个生育期不间断采样,测定生菜地上部Cd及Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg含量。结果表明,生菜地上部Cd浓度在苗期从2.70 mg·kg^(-1)增加到3.62 mg·kg^(-1),器官形成期从3.62 mg·kg^(-1)降低到2.40 mg·kg^(-1),抽薹期从2.40 mg·kg^(-1)降低到1.64 mg·kg^(-1)。单株生菜地上部Cd累积的速率可以用"S"型曲线方程进行描述(R^2=0.99)。苗期、器官形成期和抽薹期Cd累积速率分别为0.098、0.516、0.056μg·株^(-1)·d^(-1)。Cd与Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg浓度相关系数在整个生长阶段生菜分别为-0.77、-0.31、-0.06、0.09、0.46、-0.10,在营养生长阶段分别为-0.43、0.25、-0.06、0.16、0.56、0.41,在生殖生长阶段分别为-0.82、-0.26、0.72、0.93、0.42、0。可以得出如下结论:生菜地上部Cd浓度的变化与地上部生物量的变化高度相关,Cd浓度在苗期增加,在器官形成期和抽薹期降低。约15%的Cd累积发生在苗期,约80%的Cd累积发生在器官形成期,约5%的Cd累积发生在抽薹期。整个生长阶段生菜地上部Cd浓度和Fe浓度变化呈极显著负相关,和Ca呈显著正相关;在营养生长阶段,生菜地上部Cd浓度和Ca浓度变化呈显著正相关;在生殖生长阶段生菜地上部Cd浓度变化和Fe显著负相关,和Zn、Ca显著正相关。

低温改性粉煤灰对土壤镉的钝化修复研究

粉煤灰(FA)通过低温碱改性制备中间体(IP)和沸石(ZE)。利用扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线荧光分析(XRF)、比表面积(BET)、零点电荷(pHzpc)等对FA、IP和ZE 3种钝化剂进行表征,通过盆栽试验研究不同投加梯度下3种钝化剂对土壤pH和有效态镉(Cd)含量、印度芥菜(Brassica juncea)生物量及各部位Cd含量的影响,探究3种钝化剂对土壤Cd的钝化机理。结果表明:3种钝化剂均能显著降低土壤中有效态Cd含量和印度芥菜地上部Cd含量,1.5%添加用量IP和ZE可使有效态Cd含量降低48.35%和46.19%、印度芥菜地上部Cd含量降低37.51%和41.06%。施入1.5%的IP和ZE使土壤pH显著提高0.59和0.62个单位、印度芥菜生物量提高20%。由此可见,IP和ZE均可有效降低污染土壤中有效态Cd含量并促进作物生长。从经济角度考虑,IP的制备对FA的长期利用更有一定的经济价值。

低温碱熔-晶化SiO2/Al2O3复合物合成沸石及其对Cd2+的吸附

以SiO2/Al2O3含量较高的粉煤灰(FA)为原料,Na OH为改性剂,采用低温碱熔-水热晶化法合成沸石(ZE)。通过SEM-EDS、XRD、XRF、XPS、FTIR和BET对ZE进行了物相表征,通过静态吸附实验考察了ZE对Cd2+的吸附性能及机理。结果表明:经NaOH改性,FA中Si-O-Si和Si-O-Al断裂形成[SiO4]4-和[AlO6]5-单体,ZE比表面积增至21.54 m2/g。当ZE投加量为0.1 g、Cd2+初始质量浓度为100 mg/L、吸附时间为30 min时,平衡吸附量为49.38 mg/g。在p H=4~9时,ZE对Cd2+的去除率在90%以上。在35℃下,ZE对Cd2+吸附符合准二级动力学方程,速率常数为0.0586 g/(g·min);ZE对Cd2+的吸附过程符合Fredunlich等温模型,拟合指数(1/n)为0.4324;热力学实验表明,(35)G在-20~0k J/mol,吸附过程为自发的吸热反应;D-R模型中吸附能均大于16k J/mol,ZE对Cd2+吸附过程是物理吸附和化学吸附共同作用的结果。

龙葵(Solanum nigrum L.)野外场地规模Cd污染土壤修复试验

镉（Cd）是我国重金属污染土壤中主要的污染元素之一。在污染土壤的修复措施中,植物修复是一种绿色技术,具有传统土壤治理方法所无法比拟的优点,也是现今国际环境修复的热点和前沿领域。本研究以龙葵为修复植物,进行了为期2年的野外场地规模Cd污染土壤植物修复预试验和试验研究。对修复前、后土壤Cd含量分析表明,土壤表层和亚表层Cd的去除作用明显。预试验和重复试验中,土壤表层Cd的平均减少率为6.3%和16.8%,亚表层各层Cd的减少幅度分别为50.6%和49.5%（20～40 cm）、73.5%和53.9%（40～60 cm）、80.7%或未检出（60～80 cm）。2组数据表明,在农田土壤条件下,龙葵植株可产生较大的生物量,从而提高对Cd的积累与运移能力;采用植物修复技术可实现轻、中度Cd污染土壤的修复,以实现农业生产的良性循环。

植物CytP450和抗氧化酶对土壤菲、芘暴露的生态毒理响应

以玉米(ZeamaysL.)为供试植物,草甸棕壤为供试土壤,以微粒体细胞色素P450含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性为指标,进行了土壤菲、芘暴露的生态毒理响应研究.结果表明,菲、芘暴露均能引起植物代谢解毒和抗氧化防御系统的胁迫响应,不同程度引发植物代谢解毒及抗氧化能力的改变.P450酶活性与低浓度菲、芘单一暴露浓度具有相关性(r=0.834,p<0.01),与菲、芘复合暴露浓度负相关,说明菲、芘复合暴露导致代谢解毒能力下降,对植物的代谢解毒具有协同毒性效应;SOD酶活性与菲、芘单一暴露浓度负相关,CAT酶活性与菲、芘单一暴露浓度正相关,POD酶活性与菲的水溶解度正相关,而与芘的总浓度负相关.SOD、CAT和POD酶活性与菲、芘复合暴露浓度均呈正相关,说明菲、芘复合暴露导致氧化损伤程度减弱,对植物的氧化损伤具有拮抗作用.

亚致死剂量铜对蚯蚓P450酶和抗氧化酶活性的长期影响

以赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)为供试生物,通过人工污染草甸棕壤的方法,研究了暴露于含有亚致死剂量Cu(100、200、300、400mg·kg-1)的土壤中8周时间内蚯蚓体内细胞色素P450含量、谷胱甘肽转移酶(GST)、超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化氢酶(CAT)活性的变化.结果显示,各指标在暴露1周时均无显著变化,但在第8周时各指标均受到显著抑制.P450含量在100mg·kg-1剂量水平下暴露2周时表现出显著的诱导效应;GST、SOD和CAT活性则均在第3周开始表现出显著的诱导效应,且SOD和CAT在100mg·kg-1剂量下即出现诱导现象,而GST则在200mg·kg-1剂量下显现诱导现象.暴露时间大于4周时,P450含量及GST活性开始表现出抑制效应,SOD及CAT活性则在暴露大于6周后显现抑制效应.以上指标对污染物的响应模式为:无显著变化→诱导→抑制.铜是蚯蚓生长的必需元素,蚯蚓自身对Cu的适应机制,以及对铜的长期摄取能危害蚯蚓正常代谢可解释上述响应模式产生的原因.但各指标在对毒性的响应敏感性上存在差异,其中,P450响应最为敏感,而SOD、CAT最不敏感.因此,在生态毒性诊断时,应选择不同指标作为一套指标体系相互补充,以增强污染诊断的灵敏性及长期诊断性.

沈阳张士灌区六种蔬菜的镉污染

在张士Cd污灌区蔬菜种植地采集了6种季节性蔬菜(莴笋、辣椒、茄子、花椰菜、西红柿和大葱)及土壤样品,进行了Cd含量分析,采用超标倍数法评价了蔬菜可食部Cd的吸收积累,采用富集系数和转移系数法评价了Cd从土壤至蔬菜的吸收转运能力。结果表明:在6种蔬菜中,莴笋、辣椒和茄子的可食部Cd较高,分别为4.01、1.78和1.24mg·kg-1DW;其可食部Cd分别超标1.92、2.28和2.01倍(叶菜类标准0.20mg·kg-1FW,茄果类标准0.05mg·kg-1FW);西红柿、花椰菜和大葱可食部Cd未超标,分别为1.02、1.20和0.83mg·kg-1DW;花椰菜、大葱和西红柿的富集系数分别为0.28、0.36和0.52,符合低积累蔬菜标准,莴笋的富集系数1.26,在张士及类似污染水平土壤中种植将产生较大生态风险。

改性粉煤灰对废水中镉的吸附作用

以工业固废粉煤灰(FA)为原料,将其与NaOH和Ca(OH)2混合后,在250℃下焙烧1.5 h,制得改性粉煤灰(MFA).利用扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)、全自动比表面积分析仪(BET)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)等技术分析MFA的理化性质.BET分析表明,MFA的比表面积比FA增大了20.6倍.SEM分析表明,FA表面玻璃相溶解,表面粗糙,具有多孔结构.FTIR分析表明,-OH官能团在Cd2+的吸附过程中具有重要作用.静态吸附试验研究表明,当MFA的投加量为0.2 g、Cd2+初始浓度为100 mg·L-1、溶液pH为7、25℃下吸附90 min时,Cd2+的去除率达到97.3%;共存阳离子(K+、Na+、Mg2+和Ca2+)均会抑制MFA对Cd2+的吸附,其中Ca2+的抑制作用最强.Langmuir等温吸附模型和准二级吸附动力学方程能较好地描述Cd2+在MFA上的吸附行为,且最大吸附量为55.77 mg·g-1.热力学研究表明,MFA对Cd2+的吸附是一个自发的吸热过程.MFA吸附能力优于FA,在废水处理方面有一定的应用前景.