锰矿区尾矿坝及锰镉复合污染对植物的生态毒理学研究

摘要

随着锰矿的开发利用，尾矿及污染土壤大量产生。尾矿坝作为严重的污染源导致矿区生态环境遭受破坏。本文通过广西全州、板苏锰矿区尾矿坝土壤中重金属的含量和赋存形态分析，结合室内栽培试验，对尾矿坝污染土壤的毒性进行诊断，并就锰镉及复合污染对高等植物的生理生态毒性进行了研究，为重金属污染土壤的评价、治理和修复提供理论依据和技术措施。本论文主要研究结果如下： （1）锰矿区尾矿坝土壤理化性质差，养分缺乏，不利于植物生长和植被恢复。土壤中6种重金属元素（Mn，Cd，Cu，Pb，Zn，Cr）含量远高于广西土壤背景值和全国背景值，其中Mn、Cd的含量很高，Zn超过污染警戒值。 （2）从土壤浸出毒性试验看，全州尾矿坝土壤Cd的TCLP、SPLP提取量超过国际标准值（<0.5 mg·kg-1）,该土壤受Cd污染严重，生态环境风险较大。 （3）全州尾矿坝土壤和板苏矿区一次洗矿点土壤的Mn、Cd和Cu主要以潜在可利用态的形式存在（>50％），Zn、Pb和Cr则主要以不可利用态的形式存在（>50％）。Mn、Cd和Cu元素对该区生态系统的潜在影响较大。板苏矿区二次洗矿点土壤除Mn和Cd以外，其余重金属元素均以不可利用态的形式存在（>70％），Mn和Cd可认为是该区的主要污染元素。 （4）从长期栽培试验结果看，全州尾矿坝污染土壤处理和板苏一次洗矿点污染土壤对甘蔗和玉米生长产生刺激作用，但板苏锰矿区二次洗矿点污染土壤使作物生长受阻效果明显，玉米干物质总量下降31％。锰尾矿坝土壤处理的作物叶片叶绿素含量降低，光合作用受影响；SOD、POD和CAT活性失衡，MDA含量上升，导致细胞质膜过氧化，膜系统稳定性下降。锰矿区尾矿坝土壤对作物生长有一定的毒害作用。 （5）污染土壤经过长期栽培甘蔗后，重金属含量有一定的降低，重金属的形态分布也有改变。不同重金属在植物体内的分布、迁移规律存在差异。植物不同组织的重金属富集量差异也较大。 （6）以大白菜、莴笋、豇豆和紫花苜蓿种子为材料诊断Mn、Cd及复合污染的生态毒性，发现根伸长抑制率比种子发芽抑制率更能准确反映重金属的毒理效应。Cd的植物毒性比Mn大，作物根伸长受抑制更明显。豇豆和紫花苜蓿对Mn污染的耐受性比大白菜和莴笋要强。Mn、Cd复合污染主要表现为拮抗作用。 （7）以豇豆为材料，通过陆生植物生长急性毒性试验，研究Mn、Cd单一及复合污染对豇豆生长和抗氧化酶系统的影响。结果表明：Mn、Cd及复合污染对豇豆生长有明显抑制作用，其中以单一Cd污染抑制效应最强，Mn－Cd复合污染次之，单一Mn污染抑制作用最小。Mn对豇豆生长的影响呈低促高抑现象。豇豆的多项生理指标（如株高、MDA含量和POD活性）表明Mn、Cd在植物体内的互交作用主要表现为拮抗效应。在豇豆体内Mn比Cd更容易转移。Mn－Cd复合污染处理削减了豇豆对Mn的吸收，但促进了对Cd的吸收。Mn、Cd共存时，Mn、Cd进入植物体内存在竞争机制。 （8）针对广西锰矿区尾矿坝土壤的污染特点，宜先平整土地、改良土壤肥力和调节土壤酸碱度。对生物可利用性低的尾矿坝土壤运用植物稳定技术，通过恢复植被固定重金属、保持水土。若需恢复作为农业用途，则需客土回填一定厚度或经过生物修复一段时间后，选用重金属低积累作物种植。