富营养化水体生态修复过程中微生物丰度变化研究

摘要

本文重点研究应用微生物固定化技术和水生植物修复技术净化污水过程中微生物丰度的变化，借助微生物分子技术研究分析不同类型水生植物对水体、底泥、根系中微生物丰度的变化研究，通过研究期望能够阐明种植不同类型水生植物（漂浮植物、浮叶植物、沉水植物）对生物修复系统中微生物的影响。在此基础上，进一步深入探讨利用优选水生植物（凤眼莲）联合微生物挂膜技术原位净化城市重污染河塘过程中水体微生物的丰度变化。通过研究，论文主要得到以下结论:
　　1)通过比较四种不同类型水生植物（凤眼莲、大藻、菱角、黑藻）净化系统中的微生物丰度，结果显示:漂浮植物处理水体中的总细菌16S rRNA丰度随时间变化呈现下降的变化趋势，而对照水体呈相反趋势;漂浮植物水体中反硝化细菌丰度呈现下降或下降后稳定的变化趋势，而种植沉水植物的水体中nirS和nosZ型细菌丰度呈现先下降后上升的变化趋势。植物根系表面附着的16S rRNA丰度均呈现先上升后下降的变化趋势，其中凤眼莲较为显著，变幅在1.18-1.31×109 mL-1之间;漂浮植物根系表面的nirK型和nirS型细菌丰度呈现先下降后略上升的变化趋势，下降幅度为1.38-1.40×105 mL-1，nosZ基因丰度呈现持续下降趋势;而沉水植物根系表面的反硝化细菌丰度呈下降的变化趋势。各处理底泥中的16S rRNA丰度随时间变化呈现下降后维持相对稳定的变化趋势，而nosZ基因丰度均呈现持续上升的变化趋势，变化幅度为黑藻处理底泥中的nosZ基因丰度＞凤眼莲＞CK＞菱角＞大藻处理。沉水植物底泥nirK型反硝化细菌呈显著下降趋势，而CK中的nirS基因呈明显的上升后下降趋势。
　　2)为探明微生物固定化技术净化污染河塘的净化效果及净化过程中反硝化脱氮的微生物机制，明确细菌丰度与水质参数之间相互调节的规律，本文在监测污染河塘水质参数变化的同时，应用实时荧光定量PCR技术研究了接纳生活污水的污染河塘水体总细菌16S rRNA及反硝化功能基因丰度时空变化特征。结果表明:微生物固定化技术能够很好地降低污染河塘的CODMn浓度，提高水体透明度，对氮的消减效果也较好。挂膜以后，污染河塘水体中总细菌和nosZ型反硝化细菌丰度具有相似的变化规律，在挂膜3d后达到最大丰度(平均值分别为2.58×108 copies/m L，2.98×104 eopies/m L)，然后急剧减少，再逐渐提高。而nirK和nirS型反硝化细菌丰度在试验前期几乎没变化，但后期即30d后急剧上升。水质参数对细菌丰度影响也比较显著，其中总细菌16S rRNA基因丰度与水体pH、透明度呈极显著相关(R=0.4312、R=-0.6597，P＜0.0001);nirS型反硝化细菌丰度与水体温度、NO3--N、NO2-N、TP浓度呈极显著相关（R=0.7899、R=-0.5559、R=-0.7569 R=-0.4463，P＜0.000）;nosZ型反硝化细菌丰度与透明度、NH3+-N、PO43--p呈显著相关(R=-0.4534、R=-0.5272、R=-0.4914，P＜0.0001)。综上所述，微生物固定化挂膜技术，通过其自身高效微生物及协同环境因子调节河塘水体中微生物尤其是反硝化脱氮微生物丰度的共同作用而达到良好的水质净化效果。
　　3)在模拟实验中证明漂浮植物通过调节反硝化细菌的丰度的基础之上，探讨凤眼莲控制性种养净化城市重污染河塘过程中，水体中微生物丰度的变化规律，明确微生物和水质参数之间的相互关系，应用实时荧光定量PCR技术对城市尾水净化中的总细菌16S rRNA基因丰度及反硝化功能基因丰度时空变化特征进行了研究，并分析了其与水温、pH、DO、透明度、氮等水质参数的相关性，结果表明:水体中16SrRNA基因丰度和nirK基因丰度(R=0.449，P＜0.001)，nirS基因丰度(R=0.441，P＜0.01)，营养盐TN(R=0.555，P＜0.001)呈极显著正相关和NH4+-N浓度呈显著相关性(R=0.411，P＜0.01)。微生物丰度与水质参数的相关性为:nirK和nirS基因的丰度都与水体的透明度有相关性(R=0.380，P＜0.01，R=-0.369，P＜0.01)，nirK的丰度与TN(R=0.435，P＜0.01)和NH4+-N呈显著正相关(R=0.534，P＜0.001);nirS的丰度与NH4+-N呈显著正相关(R=0.327，P＜0.01)。与nosZ型基因丰度呈显著相关的有水体温度(R=0.406，P＜0.01)，DO（R=0.398，P＜0.01），NH4+-N浓度(R=0.330, P＜0.01)和NO2-浓度(R=-0.408, P＜0.01)。
　　综上所述，不同类型水生植物对净化系统中的总细菌及反硝化细菌丰度影响具有明显差异，凤眼莲净化污水的效果优于其他类型水生植物，凤眼莲可作为净化城市重污染河塘的优选材料，其与微生物固定化技术相结合，不仅能够调节污染河塘污水中的总细菌及反硝化细菌丰度，还能调节水体的理化环境指标并显著降低氮浓度，这些数据为应用水生植物-微生物联合修复技术及优化净化系统参数提供了良好的理论基础。

目录

声明

摘要

缩略语

第一章 文献综述

1．1 水体富营养化的现状及其危害

1．1．1 水体富营养化的形成

1．1．2 我国水体富营养化的现状

1．1．3 水体富营养化的危害

1．2 水体富营养化的控制方法

1．2．1 物理方法

1．2．2 化学方法

1．3 水体富营养化生态修复技术

1．3．1 水生植物修复技术机理及效果

1．3．2 微生物修复技术机理及效果

1．4 水生植物-微生物联合修复技术

1．4．1 水生植物凤眼莲

1．4．2 凤眼莲-微生物联合研究现状

1．5 研究目的意义及主要内容

参考文献

第二章 四种水生植物净化富营养化水体过程中微生物丰度变化研究

2．1 试验材料和方法

2．1．1 供试植物

2．1．2 供试装置

2．1．3 供试富营养化水体

2．1．4 试验设计

2．1．5 水体NO3--N、NH4+-N、NO2--N、TN浓度测定方法

2．1．6 样品处理和总DNA的提取

2．1．7 反硝化细菌功能基因PCR扩增

2．1．8 qPCR分析

2．1．9 统计方法

2．2 结果

2．2．1 水生植物的生长状况

2．2．2 环境因子指标参数

2．2．3 水体中TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N浓度

2．2．4 试验样品DNA结果及标线制备

2．2．5 水体中反硝化细菌丰度结果

2．2．6 根系附着反硝化微生物丰度结果

2．2．7 底泥中反硝化细菌丰度结果

2．3 讨论

2．3．1 环境理化指标分析

2．3．2 不同水生植物净化富营养化水体过程水体微生物丰度的影响

2．3．3 富营养化水体生态修复过程附着于不同植物根系的微生物丰度变化

2．3．4 不同水生植物净化富营养化水体过程中对底泥中微生物丰度变化的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 微生物固定化技术净化污水过程中水体理化参数及微生物丰度的变化研究

引言

3．1 材料与方法

3．1．1 河塘概况

3．1．2 微生物挂膜技术

3．1．3 微生物膜净化河塘水质监测采样设计

3．1．4 水体指标测定方法

3．1．5 水样采集及样品处理

3．1．6 相关性分析

3．2 结果与分析

3．2．1 挂膜前后污染河塘理化环境参数变化

3．2．4 污染河塘水体反硝化细菌丰度时空变化

3．2．5 硝化反硝化细菌丰度和水质参数相关性

3．3 讨论

3．4 结论

参考文献

第四章 凤眼莲净化污水过程中水体中理化指标及微生物丰度变化研究

引言

4．1 材料和方法

4．1．1 供试装置及试验设计

4．1．2 供试植物

4．1．3 水体指标测定

4．1．4 采样点、采样方法及样品处理

4．1．5 相关性分析

4．2 结果与分析

4．2．1 环境参数的结果

4．2．2 不同形态氮浓度的变化

4．2．3 污染河塘水体反硝化细菌丰度时空变化

4．2．4 硝化反硝化细菌丰度和水质参数相关性

4．3 讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究创新点

5．3 研究展望

致谢