耐盐挺水植物去除氮磷的机制及根际氨氧化菌群特征分析

发布时间：2020-06-22 13:10

【摘要】：人工湿地具有投资低、能耗少、生态效益好的特点,近年来被越来越多地用于天津滨海地区富营养化水体修复和污水深度处理工程。但是实际工程运行中发现,由于滨海地区地表水体和污水的含盐量较高,建设的人工湿地在某些情况下难以达到理想的效果。本论文依据水利部行业公益科研项目“咸化水体水生植物生态修复关键技术研究”的要求,筛选适用于天津滨海人工湿地建设的挺水植物和浮叶植物,研究水中含盐量对植物生理生化特性和氮(N)、磷(P)降解过程的影响机制,探讨湿地植物根际氨氧化微生物分布特征,为滨海地区人工湿地净化含盐富营养化水体和污水深度处理工程建设提供技术支撑和理论依据。通过文献资料分析和实地调研,选择出适用于天津滨海地区的常见的7种挺水植物和2种浮叶植物。采用无底泥水培法,根据植物的耐盐存活阈值评估这9种植物的耐盐性。(盐浓度以水中NaCl含量(%)表示,耐盐存活阈值为存活率超50%以上的水中盐浓度)。通过试验得出,芦苇、千屈菜和香蒲为最耐盐植物,它们的耐盐存活阈值可达到1.0%的盐浓度;水葱、荇菜、黄花鸢尾和黑三棱的耐盐存活阈值为0.5%盐浓度,存活率均为70%以上;而梭鱼草和睡莲的耐盐能力最差,它们的耐盐存活阈值低于0.5%盐浓度。通过4种植物的静态水培降解试验得出,在较高盐浓度条件下,植物对N和P的降解能力与耐盐能力成正比,在含盐水中,挺水植物比浮叶植物的N和P降解能力好。选择千屈菜、香蒲和黄花鸢尾三种挺水植物,考察其对不同盐浓度(0.05%、0.5%和1.0%)的胁迫响应。通过分析植物在盐胁迫下的两种主要敏感性指标,发现这两个指标不仅与植物的生长健康状况密切相关,而且在高盐浓度下1周左右,脯氨酸(Pro)和丙二醛(MAD)的激增与营养物质的降解速率呈负相关。所以可将生理指标Pro和MAD用于植物受盐胁迫的预警监测因子。试验还得出植物的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性随盐浓度的增加而不同程度的增高,但是不同植物间酶的活性相差较大。采用水培试验,研究了不同盐浓度条件下,千屈菜、水中微生物和根系微生物微生态体系中N、P的去除机制。结果表明,在淡水条件下(0.05%盐浓度),千屈菜对N的吸收是最主要的除N方式,根系微生物对N的降解作用次之,水中微生物对N的降解作用最小;淡水条件下水中的P主要被根系微生物降解,千屈菜吸收次之,水中微生物的除P能力最小。在咸水中(0.5%盐浓度),根系微生物对N的降解作用成为最主要的除N方式,千屈菜对N的吸收和水中微生物的除N能力均较淡水条件下有所降低;水中微生物对P的去除成为主要的除P方式,千屈菜对P的吸收、水中微生物和根系微生物对P的去除均较淡水条件下有所降低。采用模拟人工湿地试验,研究了不同盐浓度条件下(0.05%、0.5%和1.0%),湿地系统N和P的降解、植物生长和填料表面性能的变化规律。研究结果表明,盐浓度的提高对TN去除的抑制作用不明显;0.5%盐浓度对NH4+-N、NO3--N和TP的去除影响较小,1.0%盐浓度对NH4+-N、NO3--N和TP的去除则表现为很强的抑制作用。湿地系统运行过程中,千屈菜的高度和分枝数随盐浓度的增加而逐渐降低,千屈菜的根表面积、根尖数和根分叉数对盐浓度最敏感;千屈菜植株地上部分的Na~+含量随盐浓度的增加而显著增加,表明千屈菜有一定的聚盐能力。检测结果显示,在不同盐浓度下,千屈菜植株地上部分的N、P和Na~+含量均大于地下部分,随水中盐浓度增加,植株地上部分N、P含量和地下部分N含量均显著下降。千屈菜对N的吸收速率大于对P的吸收。随着盐浓度的增加,植株地上部分体内Na~+的浓度上升,而N、P的吸收速率降低,进而分析得出千屈菜植株体内Na~+的累积会抑制千屈菜对N、P的吸收。湿地系统中陶粒填料表面Na元素的重量百分比与进水盐浓度呈正比,水中的盐会在填料表面沉积,从而对填料的表面性能及微生物附着及其净化能力产生影响。利用分子生物学的方法,以amoA基因作为特异的分子标记,对湿地中的氨氧化微生物进行分析。试验共构建18个amoA基因克隆文库,以2%的核苷酸组成差异进行OTU(分类操作单元,Operational taxonomic unit)分类,其中有18个氨氧化细菌(AOB)amoA和47个氨氧化古菌(AOA)amoA OTUs。AOB amoA基因文库中的OTUs主要分布在亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和未知菌属中,其中亚硝化单胞菌属为优势菌属。AOA amoA基因文库中的OTUs主要分布在Nitrosopumilaceae-like、Nitrososphaera-like和未知菌属中。盐浓度和根际环境对AOB和AOA amoA基因文库中OTUs种类的影响较小。根际环境中的AOB和AOA amoA基因拷贝数较非根际环境中受盐浓度影响较小,非根际环境中AOB和AOA amoA基因拷贝数均随盐浓度的增加而显著降低。根际环境中AOB和AOA amoA基因拷贝数在0.5%和1.0%盐浓度下均高于0.05%盐浓度(淡水),但在0.5%盐浓度下最多。此外,土壤基质氨氧化潜势(PNR)与AOB和AOA amoA基因拷贝数均极显著相关(P0.01)。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X173;X52;X703


本文编号：2725716