底泥中的重金属可对水生生物造成毒害并引发严重水污染问题,因此解决底泥重金属污染问题刻不容缓。与其他物理化学修复技术相比,植物修复可将重金属从污染底泥中彻底去除,且不易产生二次污染,是一种较为理想的处理方法。但传统的植物修复周期长,重金属超富积植物种类少,非超富积植物重金属利用率低、生物量小、耐性差,植物修复后含重金属生物质难处理等问题,阻碍了植物修复底泥重金属污染技术的应用及发展。故寻求能提高植物修复底泥重金属污染效率及高效处理含重金属生物质的方法至关重要。本文先以茶叶废渣生物炭(TB)、多壁碳纳米管(MW)及淀粉改性纳米零价铁(SN)三种新型材料作为外源物质,系统地考察了稳定性较高的碳材料、可被植物利用的碳纳米材料及反应活性较高的金属纳米材料促进植物积累转运重金属的行为机制及其缓解重金属胁迫的作用机理;并结合上述新型材料在植物修复过程中对底泥重金属形态及酶活性变化的影响,及新型材料强化植物修复后底泥理化性质和微生物群落结构和组成的变化,综合探究了新型材料强化植物修复底泥重金属污染的机理及生态效应。再进行热解稳定植物修复后生物质中重金属及热解产物再用于染料废水处理的可行性研究,为含重金属生物质的处理处置提供了新的方法和思路。本文的具体研究工作及创造性成果包括以下4个方面内容:第1部分着重研究新型材料强化植物积累转运重金属及植物应答底泥重金属胁迫行为的作用机理:(1)证实了苎麻具有积累镉(Cd)的能力,可将其用于修复Cd污染底泥。(2)针对不同种类新型材料对苎麻积累转运Cd的行为展开研究,发现适宜浓度的TB、MW和SN可增加苎麻对Cd的积累及转运,其中MW能显著提升Cd从苎麻根部向地上部分的转移,而SN则最有利于提高苎麻积累Cd的能力;适宜浓度TB、MW和SN还可通过改变亚细胞水平上Cd在苎麻细胞壁、细胞可溶性部分及细胞器中的积累水平而促进Cd进入苎麻细胞;但较高浓度的TB和MW反而降低了Cd在苎麻叶、茎和根中的积累。(3)研究了新型材料对苎麻应答底泥Cd胁迫行为的影响,发现适宜浓度的TB和MW均可促进苎麻根、茎、叶的生长;与相同Cd积累水平的苎麻相比,适宜浓度TB、MW和SN显著降低了苎麻对活性氧自由基(ROS)的积累,缓解了重金属诱发的氧化胁迫损伤;但较高浓度的新型材料反而抑制了植物的生长,增加了Cd胁迫下苎麻对ROS的积累。(4)进一步研究了Cd胁迫下植物的抗氧化能力,发现与具有相同Cd积累水平的苎麻相比,适宜浓度的MW和SN显著提高了苎麻体内抗氧化酶的活性及其积累抗氧化物质的水平;但苎麻的抗氧化能力在较高浓度新型材料处理下反而呈现出下降趋势。上述结果证实了新型材料可通过增加植物积累转运重金属的能力,促进植物生长发育,缓解重金属诱发的氧化胁迫损伤,提高植物抗氧化能力而起到强化植物修复的目的;但施加较高浓度的新型材料将加剧重金属对植物产生的毒副作用,故在将新型材料用于强化植物修复时需慎重选择施加浓度。本研究发现,500 mg/kg TB、500 mg/kg MW及100 mg/kg SN是它们强化苎麻修复Cd污染底泥的最适浓度。第2部分为新型材料对植物修复过程中底泥Cd形态及肥力变化影响机理研究。(1)采用BCR连续提取法对植物修复过程中底泥Cd的形态进行测定,发现植物修复后,底泥中残渣态Cd所占比例降低,而可氧化态及可还原态Cd所占比例有所提升,故苎麻的引入可改变底泥中重金属的移动性及生物可利用性;而TB、MW和SN的引入则可将与有机质或硫化物结合的重金属转化为金属氧化物或氢氧化物,这可能是新型材料能促进植物积累转运重金属的原因之一。(2)依据底泥酶活性的变化趋势探讨了新型材料在植物修复过程中对底泥肥力的影响,发现苎麻的培育降低了能调节氮、磷等营养物质生物可利用性的脲酶、磷酸酶的活性,而植物修复过程中Cd污染水平的降低则提高了底泥中蔗糖酶和过氧化氢酶的活性;适宜浓度TB、MW和SN的引入可通过提高底泥酶活性而为Cd胁迫下苎麻的生长发育提供良好条件,但较高浓度材料的施加反而会降低底泥中磷酸酶和蔗糖酶的活性并对底泥肥力造成不利影响。第3部分为新型材料强化植物修复后的生态修复效应研究。(1)对比考察不同类型新型材料强化植物修复Cd污染底泥后底泥理化性质的改变,发现具有强化植物修复能力的适宜浓度新型材料的施加可改变pH、有机质浓度等底泥基本理化性质,但上述改变均不会显著降低底泥质量或破坏底泥生态环境,反而有利于促进植物生长发育及重金属生物可利用性的提高。(2)采用16S rRNA测序研究了底泥微生物多样性的变化情况,发现500 mg/kg TB增加了底泥细菌的多样性,100mg/kg SN略微降低了底泥中细菌的丰度及均匀性,而500 mg/kg MW对底泥细菌种类影响不明显,但轻微降低了细菌分布的均匀性。(3)进一步研究新型材料对底泥细菌群落组成的影响,发现新型材料增加了底泥中能促进动植物生长发育、具有重金属耐性、能改变重金属形态的酸杆菌门、硝化螺旋菌门、放线菌门等细菌的丰度,而降低了具有较多致病菌的螺旋体菌门细菌丰度。(4)OUT聚类分析、主成分分析等结果显示TB500和MW500处理组细菌的组成具有较大相似性,两个处理组都以变形菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门细菌为优势菌群;而SN100处理下底泥细菌的组成与CK组相比则存在较大差异,SN100显著提高了底泥中硝化螺旋菌门及厚壁菌门细菌的相对丰度。造成上述现象的原因可能是因为TB和MW均为碳材料,故它们对底泥微生物群落结构的影响较为相似,而SN作为一种金属纳米材料,其较高的反应活性会显著改变底泥微生物群落的组成。(5)结合冗余分析探讨了底泥细菌群落结构变化与底泥理化性质改变之间的关系,发现新型材料施加后底泥残渣态Cd所占比例的改变、pH的增加及有机质水平的变化均显著影响了底泥微生物群落的结构及组成。上述结果证实了新型材料的引入可通过改变底泥理化性质及微生物群落结构和组成起到强化植物修复的目的,且适宜浓度材料的施加并不会对底泥生态环境造成不利影响。第4部分为植物修复重金属后生物质材料的处理处置研究。(1)探讨了热解稳定植物修复后生物质中重金属的机理,发现热解可显著降低植物修复后生物质的质量,增加植物修复后生物质中Cd、铬(Cr)、锌(Zn)、铜(Cu)和铅(Pb)的浓度及富集系数;并将酸溶态及可还原态重金属转化为可氧化态及残渣态,显著降低重金属的浸出毒性。(2)进行植物修复后生物质热解材料再利用研究,发现可将含有重金属的苎麻茎杆热解材料用于废水中阳离子染料的去除,其对亚甲基蓝(MB)染料的吸附可于8 h达平衡,最大吸附容量达257.37 mg/g;且该吸附剂具有较高的重复利用性,将其进行第五次吸附时废水中MB的去除率仍高于70%。上述结果证实了热解能稳定植物修复后生物质中的重金属,降低其潜在危害,且含重金属的生物质热解产物可再用于污染环境的治理。本论文揭示了新型材料强化植物修复重金属Cd污染底泥的机理并探寻了植物修复后含重金属生物质的处理及再利用方法,为提高植物修复效率及高效治理底泥重金属污染提供了方法和依据;为含重金属生物质的处理及再利用提供了思路和借鉴模式;并为新型材料的应用及新型材料的生态风险评估提供了参考和新的见解。