微塑料对人工湿地去污效能影响及植物胁迫效应的研究

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微塑料是一种已经被广泛认知的新兴污染物。它会随着生活污水的排放进入污水处理系统,对污染物的去除过程及去除效果产生影响,微塑料对人工湿地这一污水处理工艺的影响还未见报导。本文通过水培实验,比较了3种类型(聚酰胺微粒PA-MPs、聚乙烯微粒PE-MPs、聚苯乙烯微粒PS-MPs)、4种粒径(5μm、50μm、100μm、500μm)条件下,微塑料对湿地植物美人蕉的生理毒性;实验分析了PS-MPs对湿地去除常规污染物效能的影响;并通过光合作用及抗逆性指标的检测,评估了PS-MPs对湿地植物的胁迫效应。水培实验结果表明:3种微塑料对美人蕉光合作用的抑制及生理毒性的大小顺序为:PS-MPs>PA-MPs>PE-MPs;4种粒径的PS-MPs对美人蕉光合作用的抑制及生理毒性的大小顺序为:PS-MPs 500μm>PS-MPs 100μm>PS-MPs 50μm>PS-MPs 5μm。以500μm PS-MPs作为研究对象,考察了PS-MPs对人工湿地去污效能的影响,结果表明:PS-MPs暴露水平对美人蕉湿地去污效能影响有显著差异,且随着PS-MPs浓度的增加,美人蕉湿地常规污染物去除效能受抑制程度加剧。1mg/L PS-MPs对人工湿地的去污效能影响不显著;10mg/L PS-MPs对美人蕉湿地脱氮及COD去除影响较小,而对除磷影响较大,TP去除率低于控制组18.44%;PS-MPs为20mg/L、50mg/L时对人工湿地脱氮影响较小,对除磷和COD去除影响较大,TP去除率分别低于控制组31.47%以及35.35%,COD去除率分别低于控制组11.88%、19.80%。PS-MPs 20mg/L暴露水平下,美人蕉、黄菖蒲、再力花3种有植物湿地和无植物湿地的脱氮效果均未受到抑制;与无植物湿地相比,3种有植物湿地除磷和COD去除受到的抑制均较小;3种有植物湿地COD去除受到的抑制相差不大,而除磷方面,黄菖蒲湿地受到的抑制小于美人蕉湿地和再力花湿地。湿地植物的生理特性研究表明:美人蕉叶片的叶绿素含量、净光合速率、细胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度5个光合作用指标均受到PS-MPs暴露的影响,且随着PS-MPs浓度的增加而加剧;PS-MPs 20mg/L暴露水平下,3种湿地植物光合作用受到抑制的大小顺序为:黄菖蒲>再力花>美人蕉。PS-MPs 1mg/L和10mg/L暴露下,美人蕉叶片抗逆性指标的变化不大;PS-MPs 20mg/L和50mg/L暴露水平下,美人蕉叶片中过氧化物酶(POD)及过氧化氢酶(CAT)活性变化不大,超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢(H2O2)含量、丙二醛(MDA)含量、总酚含量及花青素含量显著上升,相对于控制组,SOD活性分别上升了21.34%和31.81%;H2O2含量分别上升了18.41%和45.80%;MDA含量分别上升了19.37%和28.77%;总酚含量分别上升了8.04%和14.79%;花青素含量分别上升了12.59%和15.44%;PS-MPs 20mg/L暴露水平下,3种湿地植物的抗逆性强弱顺序为:美人蕉>再力花>黄菖蒲。植物的生理特性与湿地的去污效能相关性分析表明:PS-MPs各暴露水平下美人蕉叶片SOD及POD活性、总酚及花青素含量与COD、NH4+-N、TN、TP去除率均呈现出显著负相关;叶绿素含量与COD、NH4+-N、TN、TP去除率均呈现出显著正相关;MDA及H2O2含量仅与COD的去除率呈现出显著负相关;CAT活性与各污染物去除效果均不存在显著相关性。PS-MPs 20mg/L暴露下,3种湿地植物叶片内MDA及H2O2含量的上升幅度与人工湿地TP去除率的受抑制程度呈现出显著正相关。研究成果为评估微塑料暴露对人工湿地去污效能的影响尤其是评估微塑料对湿地植物的胁迫效应提供了基础研究参考。
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