林下表面流湿地沉积物中硝化和反硝化过程研究

发布时间：2017-10-10 00:21

  本文关键词：林下表面流湿地沉积物中硝化和反硝化过程研究

  更多相关文章： 人工湿地 硝化 反硝化 潜势 功能基因

【摘要】：本文以南淝河旁路表面流湿地在不同水力负荷(hydrological loading,HL)、不同水深(water depth,WD)和有无漂浮植物(vegetation present/absent,VP/VA)条件下的沉积物为研究对象,利用化学分析和荧光定量PCR技术,线性混合作用(linear mixed-effects,LME)模型和Tukey-HSD检验,主成分分析(Principle component analysis, PCA)、冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)和皮尔逊相关性分析,探讨沉积物中硝化、反硝化潜势和功能基因丰度变化情况及其与湿地水文条件、植物和环境因子之间的关系。研究结果表明：(1)差异分析表明水力负荷是影响湿地上覆水和沉积物理化性质的主要影响因素。上覆水溶解氧(DO)受到上述3个因素的显著影响,具体表现为DO含量随着水力负荷和水深的增加而分别显著升高和降低,有植物组水体溶氧量显著低于无植物组。对于沉积物的性质,水力负荷的提高能增加沉积物总氮(TN)、氨氮(NH4+)、有机质(OM)的含量和碳氮比(C/N),以及降低沉积物的pH值和硝氮(N03-)含量；水深的增加则能显著降低沉积物的TN、OM含量和C/N；而植物的影响相对较弱,仅能显著降低沉积物的NH4+含量。但是沉积物的亚硝氮(N02-)含量不受上述因素显著影响。另外,植物对DO的影响还存在与水力负荷和水深的交互作用,植物的影响在110cm/d水力负荷和20cm水深的条件下更加明显。(2)采用化学分析的方法对不同水力负荷、不同水深和有无植物对沉积物的潜在硝化速率(potential nitrification rate, PNR)和潜在反硝化速率(potential denitrification rate, PDR)速率进行测定。差异分析表明水力负荷和水深是影响沉积物硝化和反硝化微生物活性主要影响因素。水力负荷的提高能显著降低PDR,同时水力负荷和水深还存在对PDR的交互作用,水力负荷为110cm/d时,PDR在20cm水深处达到最大值。PNR反而在60cm水深处达到最大值,这种变化在水力负荷为110cm/d更显著。植物的出现会提高沉积物中微生物PNR,但是这种变化仅在水力负荷为110cm/d显著。(3)采用荧光定量PCR技术对不同水力负荷、不同水深和有无植物对沉积物的潜在硝化和反硝化功能基因丰度进行测定。差异分析表明水深水力负荷和植物是影响沉积物硝化和反硝化功能基因丰度主要影响因素。氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)丰度在50cm/d的水力负荷条件下达到最大值,这种变化在有植物的沟中更为显著。水力负荷为110cm/d时的氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)丰度显著高于50cm/d时的丰度。植物仅对古菌amoA和nirK基因丰度有显著影响,植物的出现会降低这两个基因的丰度,但是植物对AOA的抑制作用仅在水力负荷为110cm/d时显著。(4)主成分分析和相关性分析表明影响硝化和反硝化潜势与功能基因丰度的主要环境因素是氧的可利用性,沉积物OM、NH4+和N03-含量。氧的可利用性能直接影响沉积物中硝化和反硝化潜势与功能基因丰度。OM能作为有机碳源或者电子供体促进反硝化微生物的活性,同时还能改变沉积物中氧气(O2)的可利用性间接影响硝化和反硝化,NH4+和N03-则作为硝化和反硝化的底物直接促进其生长。水力负荷、水深和植物主要通过改变这些性质间接影响硝化和反硝化潜势和功能基因丰度,且相比与功能基因丰度,环境因子是影响硝化和反硝化速率的主要因素。
【关键词】：人工湿地 硝化 反硝化 潜势 功能基因
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 引言11-20
• 1.1 人工湿地(Constructed wetland,CW)11-13
• 1.1.1 人工湿地的组成、分类和应用11
• 1.1.2 人工湿地的除氮途径11-13
• 1.2 沉积物中微生物的硝化和反硝化作用13-14
• 1.2.1 沉积物中微生物的硝化作用及研究方法13
• 1.2.2 沉积物中微生物的反硝化作用及研究方法13-14
• 1.2.3 氨氧化作用和亚硝酸还原作用14
• 1.3 影响硝化和反硝化作用的环境因素14-16
• 1.3.1 温度14-15
• 1.3.2 pH值15
• 1.3.3 O_215
• 1.3.4 有机质15-16
• 1.3.5 NH_4~+和NO_3~-含量16
• 1.4 人工湿地水文条件和植物对硝化和反硝化作用的影响16-17
• 1.4.1 人工湿地水文条件对硝化和反硝化作用的影响16-17
• 1.4.2 人工湿地中植物对硝化和反硝化作用的影响17
• 1.5 本研究的内容、意义和技术路线17-20
• 1.5.1 本研究的主要内容17-18
• 1.5.2 本研究的目的和意义18-19
• 1.5.3 本研究的技术路线19-20
• 第二章 材料与方法20-25
• 2.1 研究区域概况20-21
• 2.2 实验设计及采样时间21
• 2.3 样品采集与预处理21
• 2.4 上覆水和沉积物理化性质分析测定方法21-23
• 2.4.1 上覆水物理性质分析21
• 2.4.2 沉积物基本化学性质分析21-23
• 2.5 沉积物硝化和反硝化速率测定23
• 2.5.1 沉积物潜在硝化速率测定23
• 2.5.2 沉积物潜在反硝化速率测定23
• 2.6 硝化和反硝化功能基因丰度测定23-24
• 2.6.1 沉积物总DNA提取23
• 2.6.2 沉积物硝化和反硝化功能基因丰度测定23-24
• 2.7 数据分析24-25
• 第三章 水文和植物对上覆水和沉积物理化性质的影响25-33
• 3.1 水力负荷对上覆水和沉积物理化性质的影响25-26
• 3.2 水深对上覆水和沉积物理化性质的影响26-30
• 3.3 植物对上覆水和沉积物理化性质的影响30
• 3.4 上覆水和沉积物理化性质之间的相关性及主成分分析30-31
• 3.5 讨论31-32
• 3.6 本章小结32-33
• 第四章 水文和植物对沉积物中硝化和反硝化速率的影响33-38
• 4.1 水力负荷对PNR和PDR的影响33-34
• 4.2 水深对PNR和PDR的影响34
• 4.3 植物对PNR和PDR的影响34-35
• 4.4 环境条件与PNR和PDR的关系35
• 4.5 讨论35-36
• 4.5.1 对沉积物PNR的影响35-36
• 4.5.2 对沉积物PDR的影响36
• 4.6 本章小结36-38
• 第五章 水文和植物对沉积物中硝化和反硝化功能基因丰度的影响38-45
• 5.1 水力负荷对硝化和反硝化功能基因丰度的影响38-40
• 5.2 水深对硝化和反硝化功能基因丰度的影响40-41
• 5.3 植物对硝化和反硝化功能基因丰度的影响41-42
• 5.4 环境条件与硝化和反硝化功能基因丰度的关系42
• 5.5 讨论42-44
• 5.5.1 对沉积物氨氧化细菌和古菌丰度的影响42-43
• 5.5.2 对沉积物nirS和nirK基因丰度的影响43-44
• 5.6 本章小结44-45
• 第六章 硝化和反硝化潜势与功能基因丰度的关系45-47
• 6.1 硝化和反硝化潜势与功能基因丰度之间的相关性分析45
• 6.2 讨论45-46
• 6.3 本章小结46-47
• 结论与展望47-49
• 参考文献49-61
• 致谢61-62
• 攻读学位期间发表的学术论文62

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本文编号：1003272