复合湿地系统净化海水养殖废水中杀鲑气单胞菌及湿地微生物菌群研究

发布时间：2020-03-21 16:31

【摘要】：随着集约化海水养殖业的迅速发展,大量的海水养殖废水直接排入临近海域。海水养殖废水中含有大量的有机物、营养盐、悬浮固体、病原微生物、抗生素、重金属等污染物,加剧了周围水环境的污染负荷,严重影响海水养殖业的可持续发展。因此对海水养殖废水的资源化与无害化处理十分必要。由于海水养殖废水具有高盐度、处理量大,潜在污染物浓度相对较低的特点,增加了其处理难度。因此,寻求低成本、高效能、运行简便、多功能生态化的海水养殖废水处理系统具有重要的经济价值和社会价值。本研究通过前期调研不同海水养殖厂不同养殖品种的养殖废水排放情况,了解海水养殖废水的水质特点,并根据海水养殖废水的特点构建复合人工湿地系统(沉淀池—牡蛎过滤池—毕氏海蓬子人工湿地)。微生物是海水养殖废水处理系统的关键部分,包括病原性微生物和功能性微生物。病原性微生物的种类和数量直接影响养殖生物的存活率。功能性微生物在水处理过程中执行着重要功能,包括有机物降解、氮磷转化、病原菌的拮抗等。因此本研究以微生物为研究对象,包括复合湿地系统对典型病原性微生物—杀鲑气单胞菌的去除效能,及毕氏海蓬子人工湿地的微生物菌群,并进一步探讨复合湿地系统净化污染物的机制,以期为复合湿地系统处理海水养殖废水的推广应用提供理论依据和技术支持。本研究的主要成果如下:1.本研究选取天津某水产养殖集中养殖区作为水产养殖污染调查点。调研了半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)、大菱鲆(Scophthal musmaximus)、欧鲈(Dicentrarchus labrax)、凡纳滨对虾(Penaeus vannamei)、日本对虾(Marsupenaeus Japonicus)养殖水质情况及6个海水养殖厂排放水质情况。监测表明,在调研时的养殖情况下,海水养殖废水中总氨氮浓度(TAN)0.27~2.12 mg/L,亚硝酸盐氮(NO_2~ -N)浓度0.10~0.65 mg/L,化学需氧量(COD)浓度1.44~10.08 mg/L,总磷酸盐(TP)浓度0.19~0.90 mg/L,悬浮固体(SS)含量较高,达12~75 mg/L。不同养殖品种的水质情况差别较大,当单一品种养殖时,海水养殖废水的TAN浓度范围为0.13~9.65 mg/L,NO_2~ -N浓度范围为0.01~2.51mg/L,COD浓度0.64~11.04 mg/L,TP浓度范围为0.09~2.36 mg/L;SS浓度为4.20~161.00mg/L。综上,海水养殖废水具有排放量大,单位体积的营养盐、有机物等含量较低,悬浮固体浓度含量高等特点。本调研结果以期为海水养殖废水处理技术提供基础参数,以更好地设计合适的海水养殖废水处理技术,达到良好的处理效果。2.本研究构建了由沉淀池—牡蛎过滤池—毕氏海蓬子人工湿地池串联组成的复合湿地系统海水养殖废水处理模式,并在生产条件下,评估复合湿地系统对大西洋鲑典型病原菌—杀鲑气单胞菌(C4)的去除效能,研究结果表明,复合湿地系统可有效去除杀鲑气单胞菌,总去除率可达64%~99%,其中,牡蛎过滤单元去除率达22%~94%,人工湿地单元去除率达17%~99%。3.为了进一步探讨牡蛎对杀鲑气单胞菌C4的净化机制,本研究在实验室条件下,验证牡蛎(牡蛎幼虫和成体)和绿色荧光菌(C4-GFP)的去除机制,并在实验室条件下评估了牡蛎幼虫和成体牡蛎的去除效率和摄食速率。实验结果表明,牡蛎能够滤除水体中的C4-GFP,其滤除作用与牡蛎的滤食作用有关,C4-GFP被牡蛎滤食后有两种可能:(1)通过牡蛎的肠道后进入胃等内脏团,在内脏团中被分解、消化;(2)通过牡蛎的肠道后未进入内脏团而是从肛门排出,排出的菌体已失活。牡蛎幼虫对C4-GFP的去除率达88%~95%,摄食速率6.4×10~3~6.2×10~5 CFU/h·ind。牡蛎成体对C4-GFP的去除率达79%~92%,摄食速率2.1×10~4~3.1×10~6 CFU/h·ind。以上结果为牡蛎在复合人工湿地中的应用,为净化海水养殖废水提供理论基础。4.为了进一步从微生物的角度探讨人工湿地净化污染物的机制,本实验揭示了处理不同总氨氮浓度海水养殖废水的毕氏海蓬子人工湿地中根际和基质微生物菌群信息。实验结果表明,处理海水养殖废水的毕氏海蓬子人工湿地微生物菌群的丰度和多样性较高;在门水平上,共有12个优势菌门(11个细菌门,1个古菌门):变形菌门(Proteobacteria),厚壁菌门(Firmicutes),蓝藻菌门(Cyanobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),浮霉菌门(Planctomycetes),酸杆菌门(Acidobacteria),放线菌门(Actinobacteria),疣微菌门(Verrucomicrobia),绿弯菌门(Chloroflexi),WS3,绿菌门(Chlorobi),奇古菌门(Thaumarchaeota)。其中,变形菌门(Proteobacteria)是根际最优势菌门,而蓝藻菌门(Cyanobacteria)是基质最优势菌门。属水平上,湿地系统中存在一些丰度较高的功能菌属:假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas),不动杆菌属(Acinetobacter),芽孢杆菌属(Bacillus),假单胞菌属(Pseudomonas),弧菌属(Vibrio),寡养单胞菌属(Stenotrophomonas),丛毛单胞菌属(Comamonas),Nisaea,硝化刺菌属(Nitrospina),亚硝化单胞菌属(genus of Nitrosomonadaceae),亚硝化侏儒菌属(Nitrosopumilus),浮霉菌属(Planctomyces)等功能菌属。其中,对NO_3~--N去除影响最大的是亚硝化侏儒菌属(Nitrosopumilus),对NO_2~--N去除影响最大的是假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas),浮霉菌属(Planctomyces)影响总氨氮的去除和磷酸盐的去除。硝化刺菌属(Nitrospina),不动杆菌属(Acinetobacter),假单胞菌属(Pseudomonas)和弧菌属(Vibrio)能够促进植物的生长。另外,实验中检测到能够拮抗C4的芽孢杆菌属(Bacillus)。微生物菌群多样性指数、组成及通过UPGMA聚类和PCoA进行的群落结构组间差异分析表明:人工湿地中微生物菌群具有空间差异性,根际和基质上的微生物菌群具有明显的差异,水体中的总氨氮浓度对微生物菌群具有一定的影响。
【图文】：

自由表面流

不同类型的人工湿地具有各自的优缺点和适应范围。自由表面流人工湿地（FWS CWs）表面流人工湿地最接近于自然湿地系统，类似于沼泽，在北美应用c and Wallace, 2009），适用于城市污水处理。图 1.1 为自由表面流人工湿地图，如图所示一般其水槽较浅，土壤层厚度不超过 40cm。通过出水水位深，一般水较深，一般可达 20~40 cm（Vymazal et al.，2006），甚至有时Akratos et al.，2006; Crites et al.，2006）。污水以较慢速度在湿地床表层流直接暴露于空气和阳光下，溶氧浓度自水面向下浓度逐渐降低，底部水中。研究表明，自由表面流人工湿地系统停留时间长，对悬浮固体（SS）、5）、氮、病原菌、贵金属等的去除效果较好，但是对磷的净化效果有限（Vymdlec and Wallace，2009; Kotti et al.，2010; Tsihrintzis and Gikas, 2010），运是，由于水流速度极慢，几乎静止，夏季容易滋生蚊虫，，卫生条件差，而表面积。

湿地,废水,杀鲑气单胞菌,自由表面流

复合湿地系统净化海水养殖废水中杀鲑气单胞菌及湿地微生物菌群研究相比于自由表面流人工湿地，水平潜流人工湿地没有与空气接触的水面。根长度，基质层深度一般在 30~80 cm（Crites et al.，2006; Vymazal et al.，2nd Tsihrintzis，2007）。底部设防水层，倾斜 1 3%有助于利用重力作用使水动。为了保证布水的均匀，一般采用多孔管横置于湿地进水端。据研究表人工湿地系统中废水与基质和植物根际充分接触，氧的传输能力（OTC）硝化作用，对有机物（OM）和悬浮固体的去除较好，水力负荷和污染负荷营养盐（N、P）的去除一般（AkratosandTsihrintzis，2007;KadlecandWallaas and Tsihrintzis，2010）。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X714

【参考文献】