分层型水库水体细菌群落演变机制与扬水曝气强化作用研究

发布时间：2020-07-24 03:10

【摘要】：针对分层型水库水体细菌群落在热分层演化过程中的自然演替特征以及扬水曝气技术对水库水体热分层状态破坏下水体细菌群落的响应变化,本研究采用Biolog微平板技术、高通量测序技术、PCR-DGGE技术和流式细胞术等方法,结合水库水质监测结果,从功能多样性与结构多样性的分子生物学角度揭示了水体细菌群落在驱动水库水体水质演变与元素转化中的主要作用以及扬水曝气原位改善水库水质的生物学机制。重点研究了:水库热分层对水体细菌群落的影响;水库分层演化过程中水体细菌群落演替特征;周村水库沉积物中硫酸盐还原菌群落结构与多样性;扬水曝气技术对水库水体细菌群落的调节及对其活性的强化作用。获得以下主要结论:(1)水库水体热分层演替造成了水体垂向上微生物栖息地异质性。石砭峪水库、金盆水库和周村水库水体细菌群落在水体分层状态下呈现出分层性差异,厌氧水体多样性指数高于好氧水体。水体细菌群落分层性差异与水体溶解氧、温度、pH及营养盐浓度的垂向梯度具有一致性。(2)探明了水库水体细菌群落碳源代谢活性的变化特征:水体在混合状态下,细菌群落对主要碳源的代谢能力处于同一水平;水体分层后,对酯类、胺类和糖类碳源的代谢能力高于氨基酸类、羧酸类和醇类碳源,细菌群落的碳源代谢平衡被破坏;由于表层与底层水体之间的功能多样性差异,分层期水体整体碳源代谢活性低于混合期,底层总有机质出现积累。结果表明水体分层会降低微生物对有机污染物的降解能力。(3)水体在混合状态下,细菌群落结构组成在垂向上保持均一,变形菌(Proteobacteria)为最优势的种群之一。水体在分层状态下,垂向产生结构差异:蓝藻细菌(cyanobacteria)成为表层好氧水体比例最高的种群,并且垂向分布特征与水体ph梯度相对应;变形菌在周村水库底层厌氧水体中爆发,最高比例达到80.7%,主要原因是由于沉积物污染释放进入底层水体造成的水质恶化。周村水库参与地球生物化学循环的种群伴随水体分层状态显示出周期性演替特征:分层期水体中参与氮元素、硫元素的细菌种群比例增加;厌氧水体中以甲基暖菌属(methylocaldum)、甲基单胞菌属(methylomonas)为代表的参与甲烷循环种群比例增加;硫酸盐还原菌比例在底层水体上升至5.1%,底层水体中硫化物含量上升至1.281mg/l,两者变化具有一致性。结合水质变化数据,溶解氧、ph等环境因子对细菌群落结构组成起到了重要作用。(4)周村水库主库区沉积物具有较高的有机质含量和硫化物含量,酸挥发性硫化物浓度在最深点达到205.9μg/g,硫酸盐还原菌最高数量达到1.15×105cells/g。pcr-dgge检测结果表明硫酸盐还原菌优势种群为脱硫杆菌属(desulfobacterium)和脱硫叶菌属(desulfobulbus),对水体中硫酸盐还原菌的优势种群起到决定作用。沉积物中有机质、总氮、总磷含量是决定硫酸盐还原菌多样性的主要理化性质因素之一。(5)扬水曝气作用使得水体细菌群落分层性差异消失,各细菌种群比例在垂向上趋于均一:混合充氧作用对表层水体蓝藻细菌及底层厌氧型细菌种群具有明显的削减作用,其中金盆水库表层水体蓝藻细菌由运行前47.4%削减至运行后不足5%;水质改善效果对底层水体中变形菌的爆发有抑制作用;周村水库底层硫酸盐还原菌比例削减78.8%,硫化物削减98.3%。扬水曝气强化脱氮菌效果显著:金盆水库运行后具有好氧反硝化潜能的种群总比例上升到14.9%;假单胞菌属(pseudomonas)等典型好氧反硝化种群比例上升显著;周村水库底层水体溶解性总氮削减86.1%,脱氮效果显著。扬水曝气对细菌群落代谢活性具有明显的提升作用:在运行后水体细菌群落对碳源代谢能力恢复平衡基础上,总代谢活性上升;对糖类、胺类的利用程度大幅度增加,对d-木糖、α-d-乳糖等多类单一碳源的代谢活性增幅超过100%;水体中总有机质削减32%,有机污染物得到更有效的降解。扬水曝气运行后明显改变的溶解氧、ph和总磷等环境因子是提升细菌群落碳源代谢活性的主要因素。(6)针对课题组筛选出的好氧反硝化菌剂,诊断了高效菌株对发光细菌、斑马鱼等标准受试物的生态、生物安全性。结果表明:好氧反硝化菌数量的增加不会破坏水体细菌群落结构的平衡状态;高效菌株不会对饮用水水质安全产生威胁;对水生生物不会产生毒性及致病性影响。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524
【图文】：

2.2.2 采样点布置本研究在石砭峪水库主库区水深最大区域设置 2 个平行采样点，采样点之间距离间隔 300 米，分别为采样点 S1、S2，如图 2.1 所示。

图 2.1 石砭峪水库主库区采样点布置示意图本研究在金盆水库主库区水深最大区域设置 3 个平行采样点，采样点之间间隔 300 米，分别为采样点 A（34o02'45"N，108o12'25"E）、B（34o02'388o12'14"E）、C（34o02'47"N, 108o12'15"E），如图 2.2 所示。

解氧梯度更加明显，至水深 10.53m 以下溶解氧含量便处于 3 mg/L 以下的低溶解氧状态，在底部 25.32m 水深以下的溶解氧在水体以及沉积物的双重耗氧作用下形成厌氧环境。与此同时，底部厌氧环境促进了沉积物中磷元素的释放，致使底部水体总磷含量升高，如图 2.3（D）所示。至此得出，石砭峪水库水体由 2014 年 月 16 日至 6 月 16 日本研究的两次采样日期间完成稳定热分层。

本文编号：2768230