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花生对重金属镉的富集作用研究

韶关学院

毕业论文

题目:大豆农作物对污染土壤中重金属镉的

富集研究

学生姓名:赵本行

学号:10104012004

院(系):化学与环境工程学院

专业:化学

班级:2010级化学(现代分析与测试技术)班指导教师姓名及职称:高岐教授

起止时间:2013年9月——2014年4月

(教务处制表)

韶关学院本科毕业论文

大豆农作物对污染土壤中重金属镉的富集研究

摘要:研究成熟大豆植株不同部位在土壤中对镉离子的富集情况,判断重金属镉离子对农作物大豆植物的生长及对其品质的影响研究。制备不同浓度镉离子含量、相同营养成分以及各营养成分含量相同的土壤,栽培相同品种大豆,严格控制大豆的其它生长条件相同(如光照、湿度、温度等),试验不同含量镉离子的土壤栽培大豆植物,分析重金属镉离子对大豆植株生长情况的影响;采用火焰原子吸收分光光度法测定大豆种植前后土壤、大豆根、茎、叶、豆壳、大豆中的镉含量,得出不同部位对镉的富集结果。大豆植株不同部位对镉的吸收能力表现为:根部>秸秆>叶部>果实。用镉溶液浇灌的大豆的长势与空白组没有明显区别。大豆植株对受重金属镉污染的土壤具有良好的生物修复作用。

关键字:重金属污染;镉;土壤;生物修复

I

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Cadmium Accumulation in Soybean Crops in

Contaminated Soil

Abstract: Studying in mature soybean plant's enrichment absorb of cadmium ion in different organs to judge cadmium ion's influence on soybean plant's growth and their quality. Preparing soil of different content of cadmium, same nutritional ingredient and same nutritional ingredient and content to cultivate the same kind of soybean.In order to test cultivating soybean plants in different cadmium ion and analyzing cadmium ion's influence on soybean's growth under the same condition such as light,humidity and temperature.Adopt rule of flame atomic absorb of light split to test the cadmium ion's content in soil, the soybean root,stem,leaves,shells,and soybean core.Hence to get a result of cadmium ion's enrichment collection in different organs.The experiment shows that different organs of soybean has different ability to absorb cadmium ion.The root absorbing ability is in superior while straw in the second place.Leaf and fruit absorb less cadmium than the former two organs.The growth situation of soybean watered by cadmium solution and soybean without any treatment haven't obvious difference.For those which polluted by heavy metals cadmium,they have function of good bioremediation.

Key words: heavy metal pollution;cadmium;soil;bioremediation

II

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目录

1 绪论 (1)

1.1前言 (1)

1.2样品处理与测定方法 (2)

1.2.1湿式消解法 (2)

1.2.2火焰原子吸收光谱法 (2)

2 实验部分 (2)

2.1重金属污染研究理论 (3)

2.2仪器与设备 (3)

2.3实验试剂与药品 (3)

2.4测定方法 (3)

2.5样品的制备 (4)

2.6样品的预处理及测定 (4)

2.6.1土壤样品 (4)

2.6.2植物样品 (4)

2.7镉标准溶液工作曲线的绘制 (5)

2.7.1镉标准溶液配制 (5)

2.7.2镉标准溶液工作曲线绘制及线性方程的确定 (5)

3 实验数据 (5)

3.1种植大豆前土壤中镉浓度 (5)

3.2收获大豆后土壤中镉浓度 (6)

3.3大豆根茎中镉浓度 (6)

3.4大豆叶中镉浓度 (6)

3.5大豆根豆子中镉浓度 (6)

4 结果与分析 (7)

4.1栽培前后土壤镉含量 (7)

4.2大豆各部位对镉的吸收和蓄积 (7)

4.3镉含量测定结果及精密度 (8)

5 结论 (8)

6 总结 (8)

6.1实验特色及其价值 (8)

III

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6.2存在问题 (8)

6.3收获体会 (9)

致谢 (10)

参考文献 (11)

IV

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大豆农作物对污染土壤中重金属镉的富集研究

2010级化学(现代分析与测试技术)班赵本行

指导老师高岐教授

1 绪论

1.1 前言

重金属镉在一般的土壤中的行为和归宿是一些物理、化学、物理化学和生物过程,主要包括转化、迁移和持留,重金属离子可以通过离子交换、扩散等方式进入到达超积累植物根周围。事实也可以表明,超积累的植物的多毛根有能富集大量的重金属的能力,并且被富集到的重金属物大多数以难溶性盐的形式所表现。从富集能力来看,植物根系周围的某些金属离子可用性的根的吸收机制表现为:根部周围的酸度,或植物根部释放出的结合化合物等。在超积累植物富集重金属的过程中也起一定作用。重金属污染导致农作物生长受阻、产量明显降低,更严重的问题是重金属通过食物链的传递可以富集于人体,危害人类身体健康。重金属污染过的土壤的治理目标,不仅是在于抑制重金属对农作物的毒害和提高农作物的产量,更重要的是还在于减少农作物对土壤中重金属的吸收,抑制其进

入食物链的重金属。要达到这一目标,就必须了解农作物对不同污染状态下的土壤中重金属的吸收富集规律。

随着工农业生产中大量重金属镉的使用,农业生产过程中污灌、施肥、农药等行为的增多,受污染土壤中的镉的含量也表现为逐年上升,据有关统计,全世界范围内每年进入土壤中的镉的总量为2.2万T。广东广州、清远以及韶关地区、广西阳朔和湖南衡阳等地,近来几年,镉污染的状况有日益严重之势,这严重影响到粮食产量和粮食安全问题。自20世纪初开始发现镉(Cadmium,简称Cd)以来,镉被广泛的应用在电镀工业、化工行业、电子行业以及核工业等诸多领域,需求量也是越来越大,相当数量的镉可以通过废水、废气、废渣等途径排人环境,造成严重的环境污染。土壤中镉含量超标一方面是会对植物造成严重毒害并能使经济作物减产,另外也可能会被植物本身吸收并富集于籽实内以及植株内进入食物链。镉一旦通过各种各样方式进入到人体,就会不断地在人体蓄积,其生物学

1

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中半衰期可以长达lO年乃至30年.土壤环境中的镉通过食物链可以对人体造成的危害,在上个世纪就开始就有报道,人体内摄入过量的镉易引起肾癌、前列腺癌以及痛痛病等疾病。

因此,前人已成功探索出大多数农作物中重金属镉的富集情况,但对于大豆农作物中重金属镉几乎是空白。本论文尝试性地全面探索火焰原子吸收光谱法检测分别测定未加镉及加入不同量镉的土壤、大豆根、茎、叶、豆壳、大豆中的镉含量,得出不同部位对镉的富集结果,判断大豆对土壤镉的耐受性,大豆对镉污染土壤的修复性,给人们提供筛选所需植物基因和品种的借鉴,也是为了有效地利用好自然资源、保障农产品得以安全生产和重金属镉污染土壤得以良好治理的重要途径。

1.2 样品处理以及测定方法

1.2.1湿式消解

湿式消解是用于生物样品的处理方法,这种方法采用的是氧化分解的原理。是用液体或者液体与固体的混合物作为氧化剂,在一定温度的条件下,分解样品中多余的有机质,这个过程称成为湿式消解法。常用的酸解体系有:硝酸-硫酸、硝酸-高氯酸、硝酸-盐酸、氢氟酸,过氧化氢等,它们可将待测物中的有机物和还原性物质全部破坏;碱解多用苛性钠溶液。

1.2.2 火焰原子吸收光谱法

原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy,AAS),是由气态的基态原子的外层电子对紫外光以及可见光范围内的相对应原子的共振辐射线的吸

收强度来定量测定被测元素含量为基础的间接分析法,是一种定量测定特定气态原子对特定光辐射吸收的分析方法。

当光源发射某种特定波长的光线通过其原子蒸气时,即入射光辐射的频率等于其原子中电子由基态跃迁到较高能级状态所需的能量的频率时,原子外层电子就将选择性吸收其同种元素所发射的特征谱线,从而使得入射光强度减弱。特征谱线因为吸收而变得减弱的程度称吸光度A,与被测元素的含量成正比:

A=KC(式中K为常数;C为试样浓度;K包含了所有的常数)。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础。

2 实验部分

2

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2.1重金属污染研究理论

当土壤受到重金属污染后,重金属就会通过很多途径进入到人体,危害身体健康。在食物链中产生富集,并且在很短的时间内不能够消除,成为威胁人类健康的问题。许多研究可以表明,土壤受到重金属污染后,重金属元素可以产生许多特别明显的生物效应,一定浓度的重金属可以影响植物受到明显的生长,特别是许多植株的根部容易中毒、植株会枯萎甚至于死亡、导致产量明显的降低等,而植株的各个部位对重金属吸收的有效性也各有不同。土壤中受到重金属的污染的治理,具有能够快速地高效地去污能力与效果,但由于其价格的昂贵以及对土

壤的扰动大,从而会限制了这种治理方法在很大的范围和大面积的应用。与相对传统的物理方法治理和运用化学修复的方法进行比较,植物修复运用到重金属污染土壤的治理中具有很强的优势,并且以这种治理方法过程的具有原位性、治理的成本具有低廉性、管理方法与操作简易性以及对环境美学具有的兼容性,日益被人们接受和重视,并且成功地成为土壤污染修复方法研究的热点之一。通过大豆植物生长过程,研究土壤中镉元素对大豆植物的生长影响以及大豆植株各部对重金属镉的富集程度。

2.2 仪器与设备

主要仪器:AA-7000 原子吸收分光光度计(日本岛津公司);FA1604 型电子分析天平;马弗炉。测定元素镉工作条件:灯电流为2.0 mA,分析线波长228.8 nm, 光谱带宽0.2 nm, 燃气流量1 300mL·min-1。

2.3 实验试剂与药品

试剂:镉标准储备液:100 mg·L-1;混合酸(硝酸∶高氯酸5∶1);双氧水(30%);硝酸(65%);氢氟酸(60%);以上试剂均为分析纯。

实验用水:去离子水。

2.4测定方法

制备不同镉离子含量、相同营养成分、各营养成分含量相同的土壤→栽培相同品种大豆→控制相同的其它生长条件→分析镉离子对大豆生长情况的影响→收割成熟大豆→测定未加镉及加入不同量镉的土壤、大豆根、茎、叶、豆壳、大豆中的镉含量→得出大豆不同部位对镉的富集情况。具体表现为如下步骤:

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制备不同镉离子含量、相同营养成分及各营养成分含量相同的土壤,栽培相同品种大豆,严格控制大豆的其它生长条件相同(光照、湿度、温度等),试验不同镉离子土壤栽培大豆植物,分析镉离子对大豆生长情况的影响;

采用石墨炉原子吸收光谱法分别测定未加镉及加入不同量镉的土壤、大豆根、茎、叶、豆壳、大豆中的镉含量,得出不同部位对镉的富集结果;

2.5 样品的制备

在校园空地取土,去除大块石子后分为6组,将每组土壤的质量定为6 kg。加入相同质量的化肥以及相同的营养成分,用10%硝酸溶液完全溶解0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0 g 镉粉分别均匀浇灌I至VI 组土壤中,制成6 组不同浓度的含镉的系列土壤(I 组空白对照组),并将每组分别置于5 个相同的塑料花盆(直径为30cm,高度为30cm)。选饱满程度相同、同一批次的大豆种子,种植于各种规格匀相同的塑料花盆内。各组每隔1 d 分别浇0.5 L 自来水。除了镉溶液浓度不同以外,每组其他生长条件保持相同。

2.6 样品的预处理及测定

2.6.1土壤样品

用四分法将每一份风干土壤样品过0.25mm 尼龙筛,过筛后的土壤装于袋内,做好记录;分别准确称取0.5000 g已干燥过的种植大豆前和收获大豆植株后的土壤样品(精确0.0001g)于50 ml的具有盖聚四氟乙烯坩埚内,分别用硝酸、氢氟酸、高氯酸完全消解,破坏土壤中各种矿物的晶格,使待测镉元素全部进入溶液中。用火焰原子分光光度法准确地测定镉离子在试样中的浓度。

2.6.2 植物样品

收获大豆的根、茎、叶和豆子用自来水冲洗干净,然后用蒸馏水冲洗一遍,将清洗后的植物样置于通风干燥处风干;

将风干的植物样分别将大豆根茎、叶、果实用研磨机打碎进行研磨,将研磨后的植物样分别进行过筛,以备消解用。

称取1.0000g 0.25mm 植物样,送至瓷坩埚内用马弗炉在3000C条件下烘烤8h,再移到聚四氟乙烯坩埚内,加少量去离子水润湿。

加入10mL 浓硝酸,待剧烈反应停止后,移至低温电热板上1500C加热消解;

若反应产生棕黄色烟,说明待消解液有机质还比较多,须多次补加适量硝酸

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5 溶液,待加热分解,无棕黄色烟产生止,取下,稍冷;

加入5ml 氢氟酸,煮沸10min,冷却,加入高氯酸5ml,蒸发至近干,然后再补加高氯酸3ml(根据取样适量补加),再次蒸发产生大量白色烟雾至近干,冷却后加入1%的硝酸溶液25ml,煮沸溶解后,移至50ml 容量瓶中,加入1%的硝酸溶液定容得到样品溶液;将样品溶液喷入原子吸收分光光度计火焰,测量其吸光度值。

2.7 镉标准溶液工作曲线的绘制

2.7.1 镉标准溶液配制

将2.0g/L 镉标准储备液按照5:100、1:100、1:100进行稀释3次,得到10.0μg/ml 的标准使用液,然后分别配制0.00、0.05、0.25、0.50、0.80、2.40、4.00mg/L 标准系列溶液。

2.7.2 镉标准溶液工作曲线绘制及线性方程的确定

按“2. 2”的仪器工作条件,以浓度值C(μg ·m L-1)为横坐标,吸光度值为纵坐标,绘制镉溶液的标准曲线(见图1),得出如下回归方程和相关系数如下:

A=0.1294x +0.0036,相关系数R 2=0.9997

浓度ug/ml吸光度A

0.000.0023

0.050.0131

0.250.0358

0.500.0625

花生对重金属镉的富集作用研究

0.800.1101

2.400.3171

4.000.5196

图1 3 实验数据

3.1 种植大豆前土壤中镉含量

取土壤样品0.5g ;定容50ml 表1 土壤中镉溶液浓度

组数

吸光度 土壤中Cd 浓度(μg/ml ) 平均值(μg/ml) 1

0.0086 0.0072 0.0079 0.0459 0.0352 0.0405 0.0405 2

0.1647 0.1804 0.1620 1.2393 1.3593 1.2187 1.2724 3

0.1880 0.1865 0.1955 1.4174 1.4060 1.4748 1.4327 4

0.2495 0.2622 0.2256 1.8876 1.9847 1.7049 1.8591 5

0.3381 0.3644 0.3539 2.5650 2.7661 2.6858 2.6723 6 0.4754 0.4827 0.4794 3.6147 3.6705 3.6453

3.6435

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6

3.2 收获大豆后土壤中镉含量

取土壤样品1.0g ;定容50ml

组数

吸光度 收获植株后土壤中Cd 浓度(μg/ml ) 平均值(μg/ml) 1

0.0056 0.0051 0.0042 0.0229 0.0191 0.0122 0.0181 2

0.0964 0.0910 0.0936 0.7171 0.6758 0.6957 0.6962 3

0.1198 0.1212 0.1226 0.8960 0.9067 0.9174 0.9067 4

0.1728 0.1759 0.1782 1.3012 1.3249 1.3425 1.3229 5

0.3272 0.2892 0.3354 2.4817 2.1911 2.5443 2.4057 6 0.4248 0.4338 0.4213 3.2278 3.2966 3.2011 3.2418

表2 土壤中镉溶液浓度 3.3 大豆根茎中镉含量

取样1.0g ;定容50ml

组数

吸光度 大豆根茎中Cd 的含量 (μg/ml) 平均值(μg/ml) 1

0.0070 0.0072 0.0069 0.0263 0.0278 0.0255 0.0265 2

0.0954 0.0972 0.0981 0.7094 0.7234 0.7299 0.7209 3

0.1235 0.1218 0.1209 0.9266 0.9134 0.9065 0.9155 4

0.1788 0.1998 0.1832 1.3539 1.5162 1.3879 1.4194 5

0.2198 0.2085 0.2274 1.6708 1.5835 1.7295 1.6613 6 0.2984 0.3308 0.3060 2.2782 2.5286 2.3369 2.3812

表3 大豆根茎中镉溶液浓度

3.4大豆叶中镉含量

取样5.0g ;定容25ml

组数

吸光度 大豆叶中Cd 的含量 (μg/ml) 平均值(μg/ml) 1

0.0121 0.0136 0.0151 0.0750 0.0869 0.0989 0.0869 2

0.2079 0.2017 0.2081 1.6364 1.5869 1.6380 1.6204 3

0.2771 0.2523 0.2492 2.1882 1.9904 1.9657 2.0481 4

0.3273 0.3386 0.3329 2.5885 2.6786 2.6332 2.6334 5

0.5725 0.5103 0.4998 4.5439 4.0478 3.9641 4.1853 6 0.5929 0.6051 0.6173 4.7065 4.8038 4.9011 4.8038

表4 大豆叶中镉溶液浓度 3.5大豆根豆子中镉含量

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取土壤样品5.0g ;定容25ml

组数

吸光度 大豆豆子中Cd 的含量 (μg/ml) 平均值(μg/ml) 1

0.0143 0.0163 0.0139 0.0647 0.0801 0.0616 0.0688 2

0.1239 0.1235 0.1219 0.9084 0.9053 0.8930 0.9022 3

0.1452 0.1471 0.1483 1.0724 1.0870 1.0962 1.0852 4

0.1752 0.1879 0.1784 1.3033 1.4011 1.3279 1.3441 5

0.1805 0.1953 0.1943 1.3441 1.4580 1.4503 1.4175 6 0.1948 0.2065 0.2003 1.4542 1.5443 1.4965 1.4983

表5 大豆豆子中镉溶液浓度

4 结果与分析

4.1 栽培前后土壤镉含量

在对土壤加镉标准系列溶液处理后,测定栽培大豆植株前后土壤的镉含量,见表6。由表6 可见,各处理栽培后土壤中的镉含量明显比栽培前降低。

表6 栽培前后土壤中的镉含量(mg ·kg -1

土 壤 I II III IV V VI

栽培前 4.05 127.20 143.30 185.90 267.20 364.40

栽培后 0.91 34.81 45.34 66.14 120.30 162.10 4.2 大豆各部位对镉的吸收和蓄积

对成熟大豆各部位的测定结果见表7。可以看出,大豆植株的根茎、叶子、豆子对土壤中的重金属镉的吸收量是不相同的,其测试结果可以表示为根茎部>叶部>豆子。用含有镉离子的溶液浇灌的成熟大豆植株的各部的镉含量要明显的高于对照组(Ⅰ)。镉元素并不是大豆农作物生长的所必需元素,镉元素通过富集进入大豆植物体内的过程是非代谢被动形式。重金属镉进入农作物大豆的根,会通过木质部转移到大豆的其他组织。

表7 大豆植株各部位中镉含量(mg ·kg -1

样品 I II III IV V VI

根茎 1.33 36.05 45.78 70.97 83.06 119.06

叶子 0.43 8.10 10.24 13.17 20.93 24.02

豆子 0.34 4.51 5.43 6.72 7.09 7.49

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4.3 镉含量测定结果及精密度

在置信概率为95%的条件下,VI 组大豆植株中根茎的测量结果为(119.1±0.3) mg·kg-1,叶子的测量结果为(24.02±0.24) mg·kg-1,豆子的测量结果为(7.49±0.11) mg·kg-1,样品中含量值最大相对标准偏差(RSD)小于5.0% ,结果精密度较为满意。

5 结论

大豆的各部位对土壤中镉的吸收具有很强的特异性,对土壤中镉吸收由强及弱分别为根、茎、叶部及豆子。这个特征可知,大豆植株的根部,可以用来作为一道屏障,从而阻碍镉离子进一步地向植株、叶子以及果实内迁移,从而能够成功地减少重金属镉的毒害效应。大豆茎中镉离子含量要比大豆豆子中镉离子含量高,这一特征可知,除大豆根系外,秸秆也能阻碍重金属镉进入到叶子和豆子内,因此,大豆的茎也成为镉离子向叶子和豆子中迁移的第二道屏障。由于大豆植株的根、茎和叶子的主要成分是植株纤维,而果实的主要成分是淀粉,所以,大豆植物对重金属镉的吸收量大部分会残留在植物的纤维中,而淀粉对重金属镉的富集作用较少。空白试验可以再次表明,农作物大豆根、茎能有效地降低重金属污染土壤中重金属的含量。所以,从另角度说,大豆植物的植株对被镉污染过的土壤具有良好的生物修复作用。

6 总结

在本次实验中,遇到了一些比较大的问题,但通过和老师共同研讨,得到了解决,而且也获得一些实验方面的操作经验。现在就把这些总结出来,为以后从事这方面研究的同学作参考。

6.1 实验特色及其价值

本论文实验可以得出大豆不同部位对重金属镉的富集结果,判断大豆对土壤镉的耐受性,大豆对镉污染土壤的修复性,给人们提供筛选所需植物基因和品种的借鉴,也是为了有效地利用好自然资源、保障农产品得以安全生产和重金属镉污染土壤得以良好治理的重要途径。

6.2 存在问题

由于种植大豆植株有限,为实验提供的样品数目不是很充足,所以原本计划分别测量大豆植株的根、茎、叶、豆子改为测量根茎、叶以及豆子;

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由于学院提供石墨炉原子吸收分光光度计(日本岛津公司)重现性不好,故在实验的进程中改用AA-7000原子吸收分光光度计(日本岛津公司);

6.3 收获体会

从确立本次创新实验课题以来,本小组成员团结一致,精诚合作,在为期一年来的创新实验过程中,主要收获表现在以下几个方面:

专业知识与技能得到提升;经过为期一年的创新实验的学习与实践,不但提高了我们独立解决问题和思考问题的能力,最主要的是通过创新实验提高我们的专业知识与技能。从实验开始初期,我们大量查找资料和文献,提高了我们的检索能力;在样品的种植与处理阶段,我们通过对前人的学习和研究,确定了自己实验的处理方案,在处理过程中提高了每个人动手实践能力,以及在对cd镉的测量过程中,能对AA-7000原子吸收分光光度计正确和熟练的操作,总之,通过完成本次创新实验,本小组人员不提提高了个人独立解决问题的能力,而且使得专业知识与技能得到再一次提高与巩固。

培养了团队合作精神;从开始创新实验以来,本小组人员从开始查找资料、拟定实验计划、样品的种植、样品收获后处理与测量以及到后面的收获与总结部分,我们根据大家的时间与各自对知识与能力的擅长不同,把创新实验的各个部分进行了具体的分工,为圆满完成本期创新实验打下了良好的基础,至此,我们充分认识到团队合作精神的重要性。

提高环境保护意识;通过本次实验了解到大豆到土壤中镉离子污染的富集过程,使我们更清楚的体会到环境中重金属污染的严重性。在我们生活中,大量的重金属污染到土壤,将会土壤中通过植物植株与果实的富集,最终到达人体,对人类身心健康造成严重威胁。所以,通过本次创新实验使我们更清楚认识到重金属污染对人类生活的影响的严重性,使我们不得不提高保护环境的意识与行动。

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致谢

在美丽的韶关学院四年的大学生活中,我得到了化工学院的各位领导以及各位老师的指导和帮助,特别是院长及各位教授们的关心,这使我收获的不仅仅是愈加丰厚的在专业方面理论知识,更重要的是在学习和实践中所培养的各种思维方式、表达能力和广阔的视野。很庆幸在这美好的四年,我有幸遇到各位良师益友,不论是在学习上、生活中,还是工作上,你们都给予了我无私的帮助和衷心的照顾,让我在这个充满了温馨的环境中度过了四年美好的大学生活。

本篇论文是在导师高岐教授的悉心指导下完成的。导师治学态度严谨、专业知识渊博,工作作风精益求精,具有高尚师德,诲人不倦的精神,宽以待人、严于律己的崇高风范,平易近人、朴实无华的人格魅力对本人产生深远的影响。使本人掌握了很多实用的基本方法,树立了远大的理想与学习目标、。本次论文从选题开始到定稿结束,都是在导师热心的帮助和指导下完成的,倾注了导师大量的心血。在整个实验过程当中,遇到了许多问题,都在导师的耐心指导下解决了。在此,谨向导师高岐教授表示最崇高的敬意以及衷心的感谢!

2014年4月17日于韶关学院化学与环境工程学院

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韶关学院本科毕业论文

参考文献

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