人工湿地缺氧条件下氮转化及好氧甲烷氧化的研究

发布时间：2020-10-16 04:01

　　 目前,含氮废水已成为引起水体富营养化及其他水体危害的一个重要因素。因此,寻求一种有效处理含氮废水的方法迫在眉睫。湿地污水处理系统是一种环境友好型的废水处理工艺,是传统污水处理系统的有效替代,目前被广泛应于净化处理生活污水。然而不同类型湿地的脱氮途径不同,且湿地脱氮能力也受到外界条件的制约。本文探究了不同湿地的氮转化途径及环境因素对氮转移的影响。甲烷作为一种能引起温室效应的温室气体,其绝大部分能够通过甲烷氧化菌的氧化作用转变成CO2从而减少对环境的危害。甲烷氧化菌包括好氧菌、厌氧菌和兼性菌。好氧甲烷氧化菌广泛分布于田地、垃圾填埋厂、淡水水域和山地土壤等环境中,起到了至关重要的甲烷氧化作用。湿地基质由于长期处在缺厌氧条件下,适合产甲烷菌的生存,从而排放大量甲烷。与此同时湿地基质中也含有种类繁多的甲烷氧化菌群。因此,我们通过对不同湿地基质取样进行微生物分析,探究不同湿地基质中甲烷氧化菌的菌群结构,掌握好氧甲烷氧化菌在湿地中的丰度;进一步通过反应器模拟,验证了其在湿地甲烷氧化的过程发挥着作用;通过富集纯化培养探讨了 N2O可以氧化CH4的可能性。本论文主要得到结论如下:(1)不同类型的湿地存在不同的氮去除途径。如:黄河三角洲自然湿地(YRD)中主要存在反硝化过程,而东汶河人工湿地(DWR)和小湄河近自然湿地(XMR)主要存在硝化过程。黄河三角洲自然湿地(YRD)中反硝化菌的数量最少,但是较低的DO和较高的γ-Proteobacteria丰度导致了反硝化能力较高;而东汶河人工湿地(DWR)与小湄河近自然湿地(XMR)虽然具有较多的硝化和反硝化细菌,但是较高的DO以及高丰度的β-变形菌(β-Proteobacteria)和(Cyanobateria)更有利于发生硝化反应。湿地的甲烷排放量与湿地中反硝化酶呈正相关关系,值得思考的是,甲烷排放量与硝化螺菌属Nitrospira 16S rRNA基因(nobL)也现正相关关系,虽然从图中可以看出两者正相关关系不大,但依然值得深入研究。(2)湿地类型及环境因素如溶解氧、温度、有机质含量都会对湿地甲烷排放及氮去除效果产生影响。黄河三角洲自然湿地在24小时内几乎没有甲烷的排放产生,而小湄河近自然湿地与东汶河人工湿地均有甲烷的释放。虽然小湄河湿地中好氧甲烷氧化菌的数量高于东汶河人工湿地,但甲烷排放量高于东汶河人工湿地。这与东汶河人工湿地基质为沙土,孔隙结构大且通透性好,利于氧气的传输,而小湄河湿地基质是紧致的土壤不利于氧气传输有关。(3)湿地基质在厌氧环境中,仍然存在具有活性的好氧甲烷氧化菌。这表明在湿地基质的缺氧环境中,好氧甲烷氧化菌仍然存在并能起到氧化甲烷的作用。这些甲烷氧化菌属于Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria。进一步通过反应器富集培养实验,研究了在缺氧条件下CH4能利用N2O作为电子受体发生反应。且参与CH4与N2O反应的主要为Ⅰ型好氧甲烷氧化菌。其中Methylomonas极有可能为主要菌属。研究湿地氮转化及甲烷释放能力可为湿地在工程应用中起到参考作用,同时发现湿地基质类型与外部环境均能影响湿地污染物去除效果及甲烷排放,该研究可为以后人工湿地的搭建及选址提供依据。同时,探究湿地基质缺氧环境中好氧甲烷氧化菌的存在及作用,并验证了CH4与N2O共同消减,为今后湿地系统减少温室气体排放提供新的方向。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

?山东大学硕士学位论文???并过０．４５ｎｍ滤膜后测定样品中的ＮＨ４＋、ＮＯｆ和ＮＯｆ量。??２．２．２样品ＤＮＡ的提取??采用?ＰｏｗｅｒＳｏ＃ＤＮＡ?Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ?ｋｉｔ?ＤＮＡ（ＭＯＢＩＯ）提取土壤基因组的?ＤＮＡ，使??用超微量分光光度计（Ｎａｎｏ－Ｄｒｏｐ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，?ＵＳＡ）分析提取后ＤＮＡ的浓度和??纯度。ＤＮＡ提取操作步骤具体操作如图２－１：???’：１??

山东大学硕士学位论文气口、ｍ水浴栗、ｎ加热棒、〇进水栗、ｐ水浴桶、ｑ进水桶、ｒ搅拌器支架。??２－３为实验反应器装置运行图。根据小湄河和白云湖人工湿地基质样品调查分??结果，依据甲烷氧化菌功能基因ｐｍｏｄ的ｑＰＣＲ结，选取功能基因拷贝??较高的小湄河湿地基质样品作为接种物，运行反应器。反应器具体运行条件见???２－６。??

本部分通过人为添加硝态氮或氨氮，研宄了其对氮转化的影响。进而通过对??实验前后水样中氮浓度变化，评估不同类型湿地基质对氮的转化能力，结果如图??３－１所示。图３－ｌ（ａ）表明，培养２４小时后，黄河三角洲湿地和小湄河湿地对照组??中水相的氮浓度几乎不变。而东汶河人工湿地中ＮＯｆ的浓度从０．１５?ｍｇ／Ｌ增加到??０．８６?ｍｇ／Ｌ，这可能是由于东汶河人工湿地的基质中含有ＮＣＶ释放的结果。从图??３－ｌ（ｂ）可以看出添加ＮＣＶ后，黄河三角洲湿地中ＮＣＶ的浓度从５．８６ｍｇ／Ｌ降低到??３．５５ｍｇ／Ｌ，而Ｎ０２＿的浓度从０．０２ｍｇ／Ｌ增加到０．８５?ｍｇ／Ｌ，说明黄河三角洲湿地中??硝酸盐变为亚硝酸盐，这是反硝化的第一步［１（）９］。而东汶河人工湿地和小湄河湿??地中，添加Ｎ０３＿反应前后，Ｎ０３７Ｌ乎没有变化，可能跟其本身Ｎ〇３＿累积，而溶??解氧相对较高比例与反硝化反应的发生有关。从图３－ｌ（ｃ）中看出在添加ＮＨ４＋后，??小循河湿地的ＮＨ４＋浓度降低最多，达到３．５ｍｇ／Ｌ，硝酸盐和亚硝酸盐浓度分别增??加了?２．３ｍｇ／Ｌ和０．７ｍｇ／Ｌ。这可能是由于小湄河湿地发生了部分硝化反应。东汶??河人工湿地的ＮＨ：浓度从４．８±０．２?ｍｇ／Ｌ下降到３．０士０．１３?ｍｇ／Ｌ
【参考文献】

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本文编号：2842727