生物炭对潜流人工湿地生物脱氮影响机理研究

发布时间：2018-02-10 14:39

本文关键词： 人工湿地生物炭生物脱氮 Illumina测序胞外聚合物　出处：《西南大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：生物炭是指在无氧或少氧条件下各种生物质经过高温处理,部分生物质转化为油和气后产生的一类富碳产物。由于其高度的物理稳定性、生物化学抗分解性、较大的比表面积和多孔结构而被广泛用于土壤改良剂输入。生物炭可通过对土壤理化性质的改变直接或间接地影响氮循环过程中硝化菌、反硝化菌等细菌的多样性、丰度及活性,继而影响土壤氮素物质循环。基于生物炭的这些特点,以及对湿地系统植物的有效利用,本研究欲通过将湿地收割植物炭化,加入人工湿地。并采用高通量测序等分子生物学技术,从微生物学角度探索生物炭对湿地中氮的迁移转化过程的影响机理,揭示生物炭对湿地系统中微生物群落结构的影响,为强化湿地脱氮提供理论依据。本文通过构建生物炭微型人工湿地系统,设置了12组不同COD:N(10:1、7:1和4:1)和生物炭添加量(30%、20%、10%、0%)的微型湿地系统,研究分析生物炭投加对湿地的脱氮性能、微生物代谢产物和生物群落结构的影响,结果表明:(1)所有湿地的DO出水均低于0.4mg/L,湿地长期处于厌氧状态。生物炭的添加都可以提高系统出水中的DO,低COD:N时,生物炭投加对出水DO影响显著(p0.05),随着COD:N升高,生物炭投加对出水DO影响不显著。湿地出水pH明显低于进水时的pH,且生物炭的添加能够使湿地系统出水pH增高,影响显著(p0.05),但生物炭投加量对湿地pH影响不显著。进水为COD:N=10:1的湿地系统出水pH明显低于COD:N=4:1和COD:N=7:1。(2)在不同COD:N条件下,COD的去除率都达到了80%以上,生物炭的添加对湿地系统中COD的去除具有显著效果。不同进水条件下,生物炭投加均能显著提高NH4+-N去除效果,且高生物炭投加比例能够显著降低湿地系统中NH4+-N的出水浓度。生物炭的添加对NO3--N去除没有显著影响,对湿地系统TN的去除影响与NH4+-N基本一致。(3)不同提取方法提取污泥EPS的能力相差较大,其中蒸汽法提取效率最高,且无大量细胞自溶的现象发生。因此,本试验采用蒸汽法提取生物炭湿地中的EPS。在不同碳氮比情况下,随着生物炭的投加,各湿地系统中EPS总量、组分及其变化规律都呈现出显著不同,微生物代谢方式存在差异。对不同填料层上的EPS进行红外光谱、分子量分布和三维荧光等分析。不同填料层上EPS的个别基团出现消失或减弱,且生物炭填料上EPS的物质分布发生向小分子物质偏移,说明两种污泥胞外聚合物特性有一定差异。荧光光谱分析发现,胞外聚合物中有类蛋白质和类溶解性微生物副产物且类蛋白质含量最高。(4)高通量测序结果显示,湿地样品共测出51个门类,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)为湿地中优势菌群。COD:N=4:1时,生物炭的投加对优势菌群影响不显著。COD:N=7:1和COD:N=10:1时,生物炭的投加使生物炭湿地系统中细菌的主要优势物种存在明显差异。湿地中主要存在的脱氮功能菌群有Nitrosomonas、Nitrospira、Thauera、Thermomonas、Thiobacillus、Dechloromonas、Pseudomonas和Ferruginibacter菌属,为硝化和反硝化菌群。在不同进水条件下,生物炭投加能显著改变湿地中硝化细菌菌群和反硝化细菌菌群结构。通过聚类分析,可以发现生物炭的投加可以明显改变湿地系统微生物种群结构,高生物炭投加比例下影响更为显著。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

【参考文献】