复合降解菌强化人工湿地处理微囊藻毒素LR机制研究

发布时间：2019-03-08 18:41

【摘要】：富营养化和气候变化引起的有毒蓝藻水华问题日益突出,有毒蓝藻水华不仅严重破坏水体生态系统,而且会释放藻毒素威胁水生动植物及人类的健康。微囊藻毒素-LR(microcystin-LR,MC-LR)是其中分布最广、毒性最强的藻毒素之一,在各种地表水体尤其是饮用水源水中均常有检出。然而,常规的检测方法及水处理技术在快速检测与高效及应急处理水体中的微囊藻毒素方面还表现不足。人工湿地作为一种生态处理技术,已有研究证实其能有效的处理水体中微囊藻毒素,但微囊藻毒素在湿地中的去除机制尚不明确。有毒蓝藻水华和藻毒素释放往往发生在特定季节,一般的人工湿地由于缺乏特定功能微生物或微生物丰度较低无法应急处理藻毒素污染。微生物强化技术通过投加筛选自严重微囊藻水华水体的微囊藻毒素高效降解复合菌群,以增加人工湿地中藻毒素降解菌的数量,强化微生物对水体中藻毒素的去除作用,实现对有毒蓝藻水华爆发及藻毒素释放的应急和高效处理,对保障居民用水安全具有重要的意义。本文应用酶联免疫法(ELISA)结合实时荧光定量PCR(q PCR)方法快速评估洱海水华期间水体产毒微囊藻和微囊藻毒素的污染状况,了解洱海产毒微囊藻爆发和藻毒素释放规律,为其进一步利用人工湿地处理提供背景数据参考。在实验室构建十二座小型水平潜流人工湿地,经人工湖湖水挂膜后,用于研究连续稳定运行的人工湿地对水体中氮磷营养盐与有毒藻细胞、藻毒素的处理效果。然后,研究湿地停运一段时间后再重新恢复处理含藻毒素废水,以模拟一般湿地应急处理微囊藻水华和毒素释放突发的情况,同时投加微囊藻毒素复合降解菌以考察其对湿地快速挂膜,快速降解微囊藻毒素的作用。另外,在湿地运行不同时间段,通过分子生物学技术对微囊藻毒素降解菌进行定性和定量检测,考察湿地基质细菌及藻毒素降解菌mlr A基因丰度在微囊藻毒素-LR去除过程中的响应,明确微囊藻毒素降解菌对微囊藻毒素的微生物降解作用。并通过物料平衡方法对基质吸附、微生物降解、植物吸收等去除作用进行定量分析,探讨湿地系统去除微囊藻毒素的机制。主要研究结果如下:(1)荧光定量PCR方法能够快速定量洱海水体中产毒微囊藻丰度,洱海9月产毒微囊藻达到最高丰度。洱海水体微囊藻毒素LR检出率较高,10月为高风险期,其总微囊藻毒素接近或超过集中式生活饮用水地表水源地对MC-LR的限值(1.0μg/L)。结果表明,为了保证洱海水华期间饮用水安全,应针对水体中有毒微囊藻细胞及其毒素采取有效的处理措施。(2)构建的人工湿地系统对氮磷营养盐去除效果稳定。系统TN的平均去除率为67.5%~75.3%,NH4+-N的平均去除率为52.6%~66.3%,NO3--N的平均去除率为91.6%~94.2%,TP的平均去除率为76.0%~92.8%,且湿地植物的存在能提高系统处理氮磷营养盐的效果。胞外微囊藻毒素(EMC-LR)在湿地系统中的平均降解速率常数为0.022 h-1,平均半衰期为31 h,其衰减过程能较好拟合一级动力学反应方程(R20.9)。湿地系统的最佳水力停留时间为3d,在此水力停留时间下,人工湿地系统对产毒藻细胞(胞内毒素IMC-LR)的去除率为73.5%~95.4%,对胞外微囊藻毒素(EMC-LR)的去除率为87.5%~98.4%,可有效降低MC-LR含量至饮用水安全标准1.0μg/L以下;进一步延长湿地系统水力停留时间,可增强MC-LR的去除效果至低于检出限(0.10μg/L)。向湿地中投加微囊藻毒素复合降解菌能显著提高湿地系统对EMC-LR的去除速率(P0.05),缩短半衰期至22h,表明生物强化人工湿地能够更有效应急处理微囊藻毒素污染。(3)基于物料平衡原理,湿地系统去除藻毒素的最主要途径是微生物降解作用,其贡献率能达到88.75%;其次为基质吸附作用,贡献率达11.08%,湿地植物的直接吸收作用非常小,贡献率仅为0.17%。生物强化措施(投加微囊藻毒素复合降解菌)能显著增加湿地基质降解菌基因mlr A的丰度(P0.05),并进一步增强湿地基质微生物的降解作用,提高其贡献率至99.23%。同时湿地系统处理微囊藻毒素过程中其基质mlr A丰度与湿地出水MC-LR含量均显著呈现负相关(P0.01),且mlr A丰度会随着暴露在毒素时间的增加而提高。结果表明,湿地中微囊藻毒素土著降解菌对微囊藻毒素降解起着最主要的作用,且投加外源复合降解菌能进一步增强微生物的作用。综上所述,复合降解菌强化人工湿地能够有效控制微囊藻毒素污染。本研究系统揭示了典型微囊藻毒素LR在人工湿地中的去除机制,阐明了微囊藻毒素降解菌在其中发挥的作用,为实际有毒藻华和藻毒素应急处理的人工湿地技术优化设计提供了理论与实践依据,具有创新性与重要意义。
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【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52;X172

【参考文献】