人工湿地中植物根系分泌物及其对脱氮过程的影响

发布时间：2020-10-30 23:44

　　 氮是造成很多湖泊富营养化的重要原因。来自农村、农田的面源污染是很多湖泊流域的主要氮污染源,受面源污染影响的入湖河流水质特征表现为碳氮比(C/N)较低、硝酸盐为主要氮存在形态,总氮浓度(10mg L~(-1))远低于生活污水,属于低污染水,但是由于入湖河流水量大,其入湖污染负荷很高,对其进行净化是控制湖泊富营养化的重要内容。人工湿地可以通过微生物硝化/反硝化作用将低污染水中的氮进行去除,但是也存在碳源(C源)不足制约反硝化过程的问题。湿地植物能够通过产生根系分泌物为根际微生物提供能量和营养,促进反硝化作用。植物根系分泌物对微生物活性、生物量以及生态分布的影响已在传统的植物修复领域(例如,络合或活化金属离子促进植物吸收)有很多研究,然而针对无机营养盐型离子(如NO_3~--N和NH_4~+-N)的研究较少,为了进一步解释湿地脱氮过程,分析低污染水湿地中植物根系分泌物对脱氮过程的影响,本论文主要从以下几个方面进行了研究:1.研究了无机氮的存在形态对湿地植物的生长过程和根系分泌的影响。对比分析NH_4~+-N和NO_3~--N对于芦苇、香蒲、菖蒲三种挺水植物生长影响。NH_4~+-N和NO_3~--N都能够满足植物的生长需要,NH_4~+-N较高时更利于植物生物量增加。同时发现植物生物量与TN去除具有显著正相关关系(r=0.946,p0.05),而植物种类和水中NH_4~+/NO_3~-均会影响植物根系分泌物组成,有机酸和可溶性糖是分泌物的主要成分,在检测的6种可溶性糖中葡萄糖、蔗糖和阿拉伯糖的含量较高,而在检测的9种有机酸中酒石酸和琥珀酸含量较高。2.分析了植物根系分泌物对于反硝化过程的影响。通过测定反硝化过程中反硝化微生物浓度及反硝化作用强度的变化研究了挺水植物根系分泌物对反硝化过程的影响。芦苇、香蒲、菖蒲三种植物根系分泌物平均释放速率分别为0.52,0.26和0.60mg g~(-1) DM d~(-1),三种植物根系分泌物作为微生物辅助C源或唯一C源均能促进反硝化菌生长,其中香蒲成分更利于反硝化菌生长和反硝化作用。同时发现多种环境因素对根系分泌有影响,植物根系分泌物浓度在水体C/N为10:1时最高,而在相同的C/N下,较高的COD和TN更利于植物生长和分泌物的产生。3.以实际工程为对象,通过反硝化细菌的分析验证了植物根系分泌物对反硝化过程的影响。以洱海流域邓北桥湿地为研究对象,通过植物根区反硝化过程分析,证明了根系分泌物能在低C/N水体中作为反硝化微生物有效C源:其中葡萄糖和蔗糖显著影响nirS以及nirK基因型微生物数量,同时蔗糖和草酸显著影响反硝化菌群落结构。理论上,植物根系分泌物作为C源能够促进反硝化过程的潜力为156~841 kg NO_3~--N ha~(-1) year~(-1)。4.实验模拟了根系分泌物促进反硝化过程,分析了强化机理。证明了有机酸和糖能够促进反硝化脱氮,而氨基酸则不利于氮去除,在添加氨基酸的前提下,TOC含量是影响反硝化过程的关键因子。添加根系分泌物首先能够促进反硝化菌数量的提高,且分泌物中包含物质种类越多微生物拷贝数越高,同时分泌物种类影响微生物群落结构,有机酸主要影响nirK菌属,可溶性糖则主要影响nirS菌属。但是几种糖及有机酸和微生物间并未发现显著的相关性。在反硝化微生物利用C源的过程中,带有给电子基团的物质(如酒石酸)和易降解的物质(葡萄糖)更易被反硝化过程利用。5.建立了基于根系分泌物促进脱氮过程的湿地脱氮动力学模型。在低污染水氮转化过程分析的基础上,依托邓北桥湿地建立了低污染水脱氮动力学模型,并通过模拟结果与实测数据的比对验证模型的有效性,模型基本能够反映湿地出水中几种氮污染物的的变化趋势,并在此基础上将植物根系分泌物指标TOC引入反硝化动力学方程中,进一步提高模型效率,最终得到的模型模拟NH_4~+-N、NO_3~--N、ON的效率系数值分别为56.4%、61.1%和53.0%。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
    1.1 人工湿地脱氮作用机理研究进展
        1.1.1 氨挥发
        1.1.2 沉淀及介质吸附
        1.1.3 植物吸收
        1.1.4 微生物硝化/反硝化作用
    1.2 根系分泌物的组成和功能
        1.2.1 根系分泌物的组成和释放
        1.2.2 根系分泌物对土壤物质迁移转化的影响
        1.2.3 根系分泌物与植物营养吸收
        1.2.4 根系分泌物对微生物的影响
    1.3 影响根系分泌的因素
2含量的影响'>        1.3.1 温度、光照、pH值、CO₂含量的影响
        1.3.2 养分含量的影响
        1.3.3 根际微生物的影响
    1.4 湿地脱氮过程中有关植物根系分泌物的研究进展
        1.4.1 根系分泌物抑制硝化作用
        1.4.2 根系分泌物作为C源促进反硝化作用
        1.4.3 根系分泌物影响植物氮吸收
    1.5 研究目标和内容
        1.5.1 课题目标与意义
        1.5.2 研究内容
        1.5.3 技术路线图
第二章 低污染水条件下湿地植物生长与根系分泌物
    2.1 引言
    2.2 材料与方法
        2.2.1 植物采集与培养
        2.2.2 系统搭建及配水
        2.2.3 分泌物样品收集及水质指标测定
        2.2.4 植物生长及吸收情况测定
        2.2.5 植物根系分泌物成分分析
        2.2.6 统计分析
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 植物生长
        2.3.2 水体污染物去除研究
        2.3.3 植物氮吸收
        2.3.4 植物净化含氮污水系统中氮平衡研究
        2.3.5 根系分泌物分析
    2.4 小结
第三章 根系分泌物对脱氮过程影响分析
    3.1 引言
    3.2 材料与方法
        3.2.1 实验设计与系统搭建
        3.2.2 反硝化菌富集培养
        3.2.3 根系分泌物做辅助C源对反硝化菌浓度影响
        3.2.4 根系分泌物做C源对反硝化微生物的影响
        3.2.5 根系分泌物做C源对反硝化强度的影响
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 不同种类植物根系分泌物释放速率
        3.3.2 不同植物根系分泌物成分分析
        3.3.3 根系分泌物做辅助C源对反硝化菌浓度的影响
        3.3.4 不同种类植物根系分泌物做C源对反硝化微生物的影响
        3.3.5 不同植物种类根系分泌物做C源对反硝化作用的影响
        3.3.6 分泌物成分受环境影响分析
    3.4 小结
第四章 洱海流域湿地植物根区反硝化过程分析
    4.1 引言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 采样点及植物采集
        4.2.2 分泌物收集与分析
        4.2.3 DNA提取
        4.2.4 qPCR分析标准曲线的制作
        4.2.5 qPCR分析
        4.2.6 群落结构分析
        4.2.7 数据分析
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 湿地运行情况分析
        4.3.2 分泌物成分分析
        4.3.3 反硝化菌定量分析
        4.3.4 反硝化菌多样性及群落结构分析
        4.3.5 反硝化微生物与分泌物相关性分析
    4.4 小结
第五章 根系分泌物促进反硝化过程机理研究
    5.1 引言
    5.2 材料与方法
        5.2.1 实验设计
        5.2.2 采样及水质测定
        5.2.3 反硝化菌定量及群落结构分析
        5.2.4 数据分析
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 污染物去除情况分析
        5.3.2 反硝化菌定量分析
        5.3.3 反硝化菌多样性及群落结构分析
        5.3.4 低分子有机碳物质降解及与反硝化微生物的相关性分析
    5.4 小结
第六章 湿地处理低污染水氮转化过程分析
    6.1 引言
    6.2 湿地处理低污染水氮转化过程
        6.2.1 人工湿地中氮物质形态转化及质量平衡方程
        6.2.2 根系分泌物在低污染水氮转化过程中作用
    6.3 低污染水人工湿地脱氮动力学模型的构建
        6.3.1 Stella建模
        6.3.2 氮去除动力学模型参数率定
        6.3.3 模型的验证
        6.3.4 TOC作为反硝化过程参数改良模型
    6.4 小结
第七章 总结与建议
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的论文

【参考文献】

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本文编号：2863165