海馬齒生態(tài)浮床植物根際脫氮過(guò)程及影響因素的研究.pdf

1、大氣是地球氮元素儲(chǔ)量最大的氮庫(kù)，由于氮?dú)獾娜I結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，打開它所需的能量較高，因此在工業(yè)革命以前，主要靠閃電固氮和生物固氮將其轉(zhuǎn)化為人和生物可以利用的含氮化合物。然而隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，為了滿足人們生產(chǎn)生活的需要，大量氮元素被通過(guò)工業(yè)的方式固定下來(lái)，并隨著化肥的濫用積累在環(huán)境中，造成氮循環(huán)的破壞，并產(chǎn)生水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)的惡果就是水體藻類大量繁殖，溶解氧急劇降低，造成魚蝦等水生生物的死亡等。因此，想要根除富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象

2、就必須將水體過(guò)量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽從水體脫除。目前人們所發(fā)現(xiàn)的自然界的生物脫氮過(guò)程有兩個(gè)，反硝化過(guò)程和厭氧氨氧化(Anammox)過(guò)程。在反硝化過(guò)程中，硝酸鹽經(jīng)過(guò)異化硝酸鹽還原作用被逐步還原為一氧化氮、氧化亞氮和氮?dú)?，在厭氧氨氧化過(guò)程中，銨鹽和亞硝酸鹽或硝酸鹽發(fā)生反應(yīng)，生成氮?dú)?。這兩種過(guò)程需要在反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的參與下才能完成。
　　近年來(lái)，人們開發(fā)出許多技術(shù)來(lái)治理富營(yíng)養(yǎng)化水體，如人工濕地技術(shù)、生物操縱技術(shù)、生態(tài)浮床技術(shù)等，

3、并且這些技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理中。其中生態(tài)浮床技術(shù)由于其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為了極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)修復(fù)技術(shù)。然而，生態(tài)浮床技術(shù)卻一直難以應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題同樣嚴(yán)重的海水中，因?yàn)殡y以找到一種耐鹽的浮床植物。本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)多年研究，篩選出海馬齒、鹽角草等耐鹽植物作為浮床植物，并已成功應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化海水的治理中。
　　在實(shí)驗(yàn)室之前的研究基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)構(gòu)建模擬海馬齒生態(tài)浮床，設(shè)置不同的溶解氧、鹽度和海馬齒根系長(zhǎng)度梯度，利用實(shí)

4、時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，對(duì)水體中的nosZ基因和hzo基因進(jìn)行定量，研究溶解氧、鹽度和海馬齒根系長(zhǎng)度對(duì)浮床植物根際微生物的影響，并在最佳溶解氧、鹽度和海馬齒根系長(zhǎng)度的條件下對(duì)海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)的脫氮途徑和脫氮量進(jìn)行研究，研究主要結(jié)論如下:
　　1、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際水體中hzo基因豐度為67.13 copies/mL，nosZ基因的豐度為1927.13 copies/mL，高于中溶

5、解氧(DO～2.0 mg/L)和高溶解氧(DO＞7.0 mg/L)條件下，因此我們認(rèn)為低溶解氧條件更有利于反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)。此外，在所有溶解氧條件下，反硝化細(xì)菌在總脫氮細(xì)菌中數(shù)量占比均大于94％，相應(yīng)的厭氧氨氧化細(xì)菌在總脫氮細(xì)菌中的數(shù)量占比均小于6％，因此我們認(rèn)為海馬齒生態(tài)浮床根際脫氮微生物群落中反硝化過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)作用。
　　2、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)

6、植物根際水體中hzo基因豐度為79.02 copies/mL，nosZ基因的豐度為3093.31 copies/mL，總脫氮基因拷貝數(shù)高于中鹽度(Sal～20)和低鹽度(Sal～0.5)條件下，因此我們認(rèn)為高鹽度條件更有利于反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象可能與體系中微生物的來(lái)源有關(guān)。在所有鹽度條件下，反硝化細(xì)菌在總脫氮細(xì)菌中的數(shù)量占比均大于92％，相應(yīng)的厭氧氨氧化細(xì)菌在總脫氮細(xì)菌中的數(shù)量占比均小于8％，因此我們認(rèn)為海馬齒生態(tài)

7、浮床根際脫氮微生物群落中反硝化過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)作用。
　　3、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際水體中的hzo基因拷貝數(shù)不隨根長(zhǎng)的改變而改變，而nosZ基因拷貝數(shù)則與根長(zhǎng)呈顯著的負(fù)相關(guān)。我們推測(cè)這是因?yàn)樵谌ǜ诒葹?.09）條件下，異養(yǎng)的反硝化細(xì)菌需要植物根系分泌物作為碳源供應(yīng)生長(zhǎng)，因此附著在根系表面，因而根際水體中豐度比半根條件和無(wú)根條件降低;而厭氧氨氧化細(xì)菌屬化能自養(yǎng)

8、型細(xì)菌，有機(jī)物對(duì)其有抑制作用，因此其較喜歡生活在根際水體中而非根系表面，因此會(huì)出現(xiàn)全根、半根和無(wú)根條件下其豐度在0.05的顯著性水平上無(wú)顯著差異。
　　4、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，通過(guò)對(duì)海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際脫氮過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)海馬齒生態(tài)浮床對(duì)與水體氮營(yíng)養(yǎng)鹽具有較強(qiáng)的凈化能力，在培養(yǎng)7天時(shí)，其對(duì)水體氮元素的平均脫除速率可達(dá)到1.36 mg/d。此外，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)根際脫氮過(guò)程存在