蓝藻水华对浮游细菌群落结构的影响及蓝藻生物质应用研究

发布时间：2020-11-04 05:36

　　 蓝藻水华是一个世界性的水环境问题,它的大规模爆发会严重影响水生态系统。浮游细菌在生物地球化学循环中发挥着重要作用,研究蓝藻水华发展不同阶段浮游细菌群落结构的演替有助于对蓝藻水华过程有更深刻理解与认识。蓝藻大规模爆发期间,机械打捞是一种及时有效的治理措施,在我国已被广泛应用。蓝藻打捞后进行藻水分离,产生大量藻渣,易对环境造成二次污染,因此对蓝藻生物质进行无害化处理的同时,寻求一种有效的资源化利用方法,使其变废为宝,是十分重要的。另一方面,分离产生的尾水中仍然包含一些单个蓝藻细胞或小的藻细胞聚集体,需要进一步处理。针对以上问题,本论文在生态调研以及大量的试验研究的基础上,系统分析了蓝藻水发爆发前、中、后期细菌群落结构的变化,成功发展了一种用于藻水分离后尾水中藻细胞去除的絮凝剂,深入探究了蓝藻生物质的资源化利用方法,包括蓝藻生物碳电极在生物电化学体系中的应用和核黄素的电化学检测。主要研究内容如下:1.利用高通量测序技术解析了典型富营养化湖泊巢湖蓝藻爆发前期、中期与后期浮游细菌群落结构变化的特点,结果表明在蓝藻爆发不同时期,浮游细菌群落结构发生了明显的改变,总的与较丰富的浮游细菌群落在不同水华期间展现了相似的变化趋势,而稀有细菌群落结构的变化趋势则存在明显差异。蓝藻水华期间,浮游细菌群落结构多样性最低。水华后期,总的与较丰富浮游细菌群落结构有一定程度的恢复,主要归因于属于变形菌门、拟杆菌门、放线菌门以及厚壁菌门的OTUs变化。通过经典对应分析识别了引起浮游细菌群落差异的相关环境因子。2.提出了一种可有效絮凝沉淀蓝藻细胞的新颖方法。以铜绿微囊藻为模型,用水解尿液作为絮凝剂,可以在6小时内将97%以上的藻细胞沉降去除,同时尿液中的氮磷营养物通过鸟粪石形式沉淀回收。镁离子的投加可以促进藻细胞的絮凝效率、营养物的去除以及鸟粪石的收益。钙离子通过形成磷酸钙也可以强化藻细胞去除效率。絮凝过程中未观察到明显的藻细胞破损。3.利用打捞的废弃蓝藻生物质,通过热解获得生物碳(Biochar)材料,生物碳沉积ITO玻璃表面作为生物阳极(Biochar/ITO阳极),与ITO电极相比,Biochar/ITO阳极展现了较好的生物兼容性、较低的电荷转移阻抗、对氧化还原媒介更强的电化学响应与吸附能力,将它用于微生物电解池展现了优越的产电能力,最大电流密度是分别高于ITO与石墨阳极5.4与4.1倍。通过原位吸附方式将核黄素修饰到蓝藻生物碳电极表面,循环伏安测试证实了修饰成功且核黄素不易解析。蓝藻生物碳/核黄素复合电极应用于生物电化学系统的阳极可提高电极表面细菌的附着,明显强化生物电流的产生。4.制备了电化学法检测核黄素的蓝藻生物碳电极。循环伏安分析表明蓝藻生物碳电极对核黄素的电化学响应强度具有pH依赖性,其中pH 2.16时电化学响应最为强烈。差分脉冲伏安法用于核黄素定量分析,其检测线性范围为5 nM～4μM,最低检测限为5 nM。维生素、离子、葡萄糖对测核黄素并无明显干扰,该方法可以较好地确定食品、药品中的核黄素含量。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X524;X17
【部分图文】：

有着非常重大的意义。??在富营养化湖泊（比如太湖、巢湖、滇池）中，蓝藻水华爆发是一种常见现??象［１７－１９］。图１－１是用普通相机拍摄的太湖蓝藻爆发时的照片。蓝藻水华大规??模爆发会引起水生态系统改变，进一步引起浮游细菌群落变化［２〇，?２１］。Ｌｉ等［２１］??基于传统分子生物学技术－末端限制性片段长度多态性（Ｔ－ＲＦＬＰ）研宄了太湖浮??游细菌群落对蓝藻水华的响应，结果表明蓝藻水华导致浮游细菌群落发生明显改??变；同时发现微球菌亚目与水华蓝藻很可能具有腐生关系，具有裂解蓝藻生物质??功能，显示了蓝藻参与的水生生态系统的复杂性。此外，水华期间检测到一些潜??在致病菌，比如军团菌目，结露其与蓝藻水华关系以及对人类健康风险评估显得??十分必要。??霸ｄｉｎ??ｈ??图１－１蓝藻爆发时照片［７３］??蓝藻水华期间，一些浮游细菌会附在蓝藻胶鞘中（主要成分为黏多糖）形成??特别的微环境。蓝藻与细菌通常在此微环境中会彼此互相作用，既存在互利共生??关

第一章绪论，比如蓝藻细胞是如何耐受冬天低温环境、湖泊底部微弱光照甚蓝藻在这种恶劣环境中生存的极限是什么？触发蓝藻复苏的因阈值是什么？等等仍然处于研究阶段，实际应用还需要很长时间。期间，一般采取一些物理（絮凝或打捞清除蓝藻等）、化学（化酸铜直接杀藻）或生物（溶藻细菌或原生动物等）的方法来直接除接物理打捞蓝藻方法被广泛应用，尤其在中国，十分受到重视，水华的一项长期举措。??

图２－１蓝藻爆发前期（ａ）、爆发期间（ｂ）以及爆发后期（ｃ）采样位置实地照片。??巢湖近岸水域（３１°４２＇６０〃Ｎ，１１７°２０＇１９〃Ｅ）的蓝藻水华比较厚重，在其附近??选择四个取样点进行取样，图２－１展示了不同蓝藻水华阶段采样位置实地图片，??相邻点之间间隔约５０?ｍ。为了避免沉积物的干扰，选择微风天气采集水样。取??样时间为２０１６年４月２８日、８月１日以及１０月１１日，分别代表蓝藻爆发前、??中、后期。使用２．５?Ｌ的有机玻璃采样器，采集表层水样（０￣?３０?ｃｍ）。采样时??使用ＹＳＩ?６０００多参数水质分析仪现场监测水温（Ｔ）、ｐＨ、溶解氧（ＤＯ）、电导??率（ＥＣ）参数。其他水质参数，比如叶绿素ａ（Ｃｈｌａ）、铵氮（ＮＨ４－Ｎ）、硝氮（Ｎ０３－Ｎ）、??亚硝氮（ＮＯ２－Ｎ）、总氮（ＴＮ）、正磷（Ｐ０４－Ｐ）以及总磷（ＴＰ），一周内在实验??室完成分析。分析方法采用国标法，具体见参考文献［１６］。??２．２．２?ＤＮＡ提取与１６Ｓ?ｒＲＮＡ基因扩增子测序??将２００？３００?ｍＬ水样过０．２２?ｐｍ孔径的混合纤维膜（直径４５?ｍｍ），浮游细??菌细胞被截留于膜表面
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本文编号：2869697