伊乐藻—脱氮微生物联用对入贡湖亲水河脱氮效果及机理研究

发布时间：2018-12-27 09:08

【摘要】：随着我国社会经济的快速发展,大量富含氮的工农业及城市生活污水进入水环境,导致河道水体富营养化,严重破坏了地表水环境。针对日益严重的河道富营养化问题,本论文以入贡湖河道亲水河作为研究对象,通过构建模拟生态修复系统,研究了不同生态修复手段下氮素的迁移转化过程;使用便携式溶氧仪、同位素比质谱仪及膜接口质谱仪,分析了各模拟生态修复柱中泥水界面溶解氧侵蚀深度、不同途径的氮素去除贡献率;采用高通量技术,分析了脱氮微生物丰度以及底泥微生物群落组成的多样性;运用同位素配对技术,探讨了植物吸收、底泥储存以及微生物过程的氮素转化机理,并在亲水河原位河道应用脱氮微生物-生物绳-水生植物集成净化技术进行了示范工程,研究了生态修复对河道水质的净化效果及底泥微生物群落的变化,主要结论如下:(1)沉水植物伊乐藻的种植,增加了室内模拟生态修复柱内底泥溶解氧侵蚀深度,侵蚀深度由未种植植物时的14mm增加到约30mm,同时在植物根区周围创造好氧-兼氧的微环境,强化水生植物根区周围底泥中微生物的硝化过程和反硝化过程,为氮素循环提供良好条件,促进氮素的脱除。(2)根据同位素配对技术(IPT)实验结果,比较不同生态修复处理组沉水植物伊乐藻对15N的吸收量,仅添加伊乐藻的处理组C中,植物对氮素的吸收率高于处理组D(伊乐藻+固定化高效脱氮微生物)。另一方面,对比添加15N-NO_3~-的处理组,添加15N-NH_4~+的处理组中伊乐藻大约是对15N-NO_3~-吸收量的2倍。伊乐藻中15N的大量富集,说明水生植物种植对富营养化河道系统脱氮起重要作用。(3)不同生态修复处理组中以气体形式释放(N_2及N_2O)的氮素存在明显差异,添加了固定化高效脱氮微生物(INCB)的处理组B和D具有较高的气体释放量,同时对比加入15N-NO_3~-的处理组,添加15N-NH_4~+的处理组气体释放量较低。添加INCB提高脱氮微生物丰度及活性,促进河道水体的脱氮作用。(4)经过对q-PCR结果的分析,伊乐藻及INCB的添加对底泥中反硝化及厌氧氨氧化微生物丰度产生影响,在同时添加伊乐藻和INCB的处理组D,反硝化菌群功能基因(nosZ,nirnirS)及厌氧氨氧化菌群功能基因(Hzo)拷贝数均明显增加,显著高于其他三个处理组。表明泥水界面表层底泥脱氮微生物数量增加,提高室内模拟生态系统氮素脱除能力。(5)通过细菌16SrRNA基因克隆建库对四个不同生态修复处理组对泥水界面底泥门、属级别微生物种类进行探讨,发现处理组D(伊乐藻+INCB)中具有最为丰富的微生物群落结构,变形杆菌门(Proteobacteria,46.65%)依然为主要门类,随后是拟杆菌门(Bacteroidetes,18.72%),酸杆菌门(Acidobacteria7.03%)和硝化螺菌门(Nitrospira,5.88%)。研究得到的反硝化细菌对应种属为:假单胞菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、丛毛单胞菌属(Comamonass)及寡营养单胞菌属(Stenotrophomonas);及厌氧氨氧化细菌对应种属为:浮霉状菌属(Planctomyces)。添加伊乐藻及INCB后,脱氮微生物的多样性得到增加,可以有效缓解原位河道脱氮微生物多样性及活性水平低的问题。(6)通过室内模拟生态修复系统实验,定量研究了 15N-NO_3~-和15N-NH_4~+转化平衡,在四个处理组中,不考虑存积在上覆水中的氮素,处理组D(伊乐藻+INCB)对15NO_3~-的去除率为65.46%,对15NH_4~+的去除率为57.74%,脱氮效率均为最高。伊乐藻-脱氮微生物联用技术通过促进泥水界面脱氮微生物反硝化及厌氧氨氧化过程,辅以植物吸收作用,促进河道生态系统氮素循环,实现降低氮素负荷与进化水质的目的。(7)亲水河示范区内外水质长期跟踪监测结果显示,示范工程对河道水质的净化效果良好,示范区内水质明显优于示范区外。监测期间总氮的平均去除率约35.37%;铵态氮平均去除率约64.99%;硝态氮平均去除率约51.55%;亚硝态氮平均去除率约32.81%;总磷平均去除率约40.72%;COD平均去除率约为45.57%。(8)通过对亲水河示范区内外底泥进行高通量测序发现,反硝化微生物相关菌属有假单胞菌属(Pseudomonas),不动杆菌属(Acinetobacter),丛毛单胞菌属(Comamonas),固氮弧菌属(Azoarcus),气单胞菌属(Aeromonas);厌氧氨氧化微生物相关菌属为浮霉状菌属(Plaanctomyces)。脱氮微生物、生物绳及水生植物的集合运用,增加了底泥中微生物多样性,并且提高原位河道生态系统中脱氮微生物丰度。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52

【参考文献】