水生植物和微生物聯(lián)合修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體試驗(yàn)效果及機(jī)理研究.pdf

1、水問(wèn)題是全球所面臨的最熱點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題之一，而其中氮磷污染與富營(yíng)養(yǎng)化又是水體污染最為普遍的現(xiàn)象，也是國(guó)內(nèi)外水污染治理的難題，隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，使用生態(tài)修復(fù)的方法來(lái)治理富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樵摲椒ㄒ缘土咝У奶?yáng)能為能源，保護(hù)并恢復(fù)了我們的生態(tài)系統(tǒng)。本論文以植物營(yíng)養(yǎng)生態(tài)學(xué)的理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用水體修復(fù)小試和中試等技術(shù)平臺(tái)，較為系統(tǒng)地研究了水體植物—微生物聯(lián)合作用對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的去除和修復(fù)效應(yīng)及其機(jī)制。主要研究

2、內(nèi)容包括：夏季漂浮水生植物及冬季沉水植物與固定化氮循環(huán)細(xì)菌(INCB)聯(lián)合修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的效應(yīng)及技術(shù)基礎(chǔ)；固定化光合細(xì)菌與不同水生植物聯(lián)合作用對(duì)重富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)效果及其機(jī)理的研究；探討了水生植物對(duì)不同形態(tài)氮吸收動(dòng)力學(xué)特性及其根系分泌有機(jī)酸組分特點(diǎn)以及根系粗分泌物對(duì)固定化氮循環(huán)細(xì)菌和光合細(xì)菌作用的研究。取得的主要研究結(jié)果和結(jié)論包括： 1.應(yīng)用物理生態(tài)工程的技術(shù)和原理，在夏季利用漂浮植物鳳眼蓮(Eichhornia crass

3、ipes)作為先鋒植物并結(jié)合固定化氮循環(huán)菌可以起到對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體原位修復(fù)的目的。通過(guò)對(duì)接種固定化氮循環(huán)菌在水體中的定量分析，并且結(jié)合漂浮植物的修復(fù)方法，來(lái)評(píng)價(jià)它們對(duì)氮素等水質(zhì)變化的影響和作用機(jī)理。研究表明：接種的固定化氮循環(huán)菌和漂浮植物鳳眼蓮都有較大的凈化水質(zhì)的潛能，并且兩者相結(jié)合時(shí)表現(xiàn)出了最佳的凈水效果：與處理前的水質(zhì)相比較，試驗(yàn)期間總氮降低了70.21％，亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別降低了92.21％和50.91％；水體的透明度由修復(fù)前的0

4、.5 m提高到修復(fù)后的1.8 m。此外，該系統(tǒng)中還具有較低含量的葉綠素a，CODMn和較低的pH值。當(dāng)固定化氮循環(huán)微生物接種于漂浮植物系統(tǒng)中時(shí)，除了氨化菌變化不明顯外，亞硝化菌，硝化菌，反硝化菌群數(shù)量與對(duì)照相比可以增加1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，其中增加的微生物勢(shì)必對(duì)氮素的去除和水質(zhì)的提高產(chǎn)生作用。因此，我們可以得出夏季利用的漂浮植物—微生物(INCB)系統(tǒng)可以達(dá)到原位提高富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)的目的。 2.由于沉水植物和漂浮植物棲息環(huán)境不同，

5、因此它們對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)平衡所起的主要作用也各不相同。漂浮植物生長(zhǎng)季節(jié)主要在夏秋季，而要取得周年的修復(fù)效果，就需要在冬春季節(jié)有維持和提高水體水質(zhì)的體系來(lái)支持。以沉水植物伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)和固定化氮循環(huán)微生物為主體的原位修復(fù)技術(shù)可以起到維持和提高水質(zhì)的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用兩者的結(jié)合對(duì)維持和提高水質(zhì)效果最為明顯，其中對(duì)水體中幾種形態(tài)的氮素都有不同程度的降低的作用。如TN可以降低40.18％，亞硝態(tài)氮和銨氮分別降低9

6、8.67％和85.15％，而且有利于水體透明度維持和提高以及葉綠素的降低等效果。其主要原因是由于沉水植物伊樂(lè)藻不但可以從底泥中吸收養(yǎng)分，而且可以直接從水體中進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收利用。此外，接種的氮循環(huán)菌群通過(guò)氨化作用、硝化和反硝化作用促使水體中的氮素以氣態(tài)的形式去除。在試驗(yàn)的后期，雖然水體中總磷(TP)和可溶性磷(DP)的含量在各處理中都表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但是伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)和氮循環(huán)菌相結(jié)合確能對(duì)磷含量的升高有明顯

7、的緩沖作用。本試驗(yàn)同時(shí)對(duì)四種菌群的氮循環(huán)微生物：氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌在富營(yíng)養(yǎng)化水體和底泥中的分布情況做了定量的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：種植沉水植物(Elodea nuttallii)并接種固定化微生物都促進(jìn)了水體和底泥中四種菌群微生物數(shù)量的增加。而且兩者相結(jié)合的處理效果最為明顯，與對(duì)照相比除氨化菌外，其它種群的微生物有1-3個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，而且差異達(dá)到了顯著性差異(P＜0.05)。雖然不同時(shí)期受環(huán)境因素的影響，各種群微

8、生物變化并不一致，但總體上底泥與水體相比較總分布有更多的氮循環(huán)微生物。因此，冬季利用沉水植物鑲嵌技術(shù)并結(jié)合固定化微生物，以加速富營(yíng)養(yǎng)水體中氮素轉(zhuǎn)化，是維持水質(zhì)和提高系統(tǒng)緩存性能的可行之策。 3.采用漂浮水生植物黃花水龍(Jussiaea stipulacea Ohwi)和沉水植物伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)結(jié)合固定化光合細(xì)菌在室內(nèi)模擬重富營(yíng)養(yǎng)水體進(jìn)行的修復(fù)研究。其結(jié)果表明：在處理6天時(shí)，不同處理對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)T

9、N，TP，硝氮和銨氮都有不同程度的去除效果；當(dāng)處理19天時(shí)，固定化光合細(xì)菌結(jié)合漂浮植物黃花水龍表現(xiàn)出最佳的去除效果：對(duì)TN，TP，銨態(tài)氮去除率分別98.01％，90.26％，98.52％。單獨(dú)光合菌的處理則對(duì)CODMn有最高的去除率83.13％；在19天處理時(shí)間內(nèi)，對(duì)于TN，TP和銨氮的去除也分別達(dá)到了57.54％，59.65％，62.84％。研究還表明：植物處理和接種固定化光合菌有利于體系中DO濃度的增加，同時(shí)也有明顯的抑制藻類生長(zhǎng)的

10、作用。由于黃花水龍(Jussiaea stipulacea Ohwi)生物量的增加而去除的TN，TP最高分別為36.3％和34.68％。另外與有沉水植物的系統(tǒng)相比，漂浮植物系統(tǒng)中較高的硝化和反硝化率也是促進(jìn)水體中氮素的去除一個(gè)主要原因。因此可以借鑒該研究中的植物—微生物系統(tǒng)來(lái)處理養(yǎng)分含量高的污染水體，特別是對(duì)于城市污水廠尾水的深度處理是一個(gè)方便、可行又節(jié)約能源的生態(tài)處理方法。 4.進(jìn)行水生植物對(duì)NH4+和NO3-吸收動(dòng)力學(xué)的研

11、究。目的在于進(jìn)行水體的生態(tài)修復(fù)時(shí)，可以根據(jù)不同營(yíng)養(yǎng)狀況的富營(yíng)養(yǎng)化水體而選擇相應(yīng)的養(yǎng)分吸收效率的水生植物。本研究中比較了三種水生植物黃花水龍(Jussiaea stipulacea Ohwi)、伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)對(duì)于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮吸收動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)果表明：漂浮植物黃花水龍(Jussiaea stipulaceaOhwi)和鳳眼蓮(Eichhornia crassi

12、pes)具有較大的吸收速率Vmaz和Km值，因此，它們更適合作為先鋒植物對(duì)污染嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行前期的修復(fù)治理，待水體水質(zhì)提高到一定的程度時(shí)，再利用去污能力低的沉水植物進(jìn)行對(duì)修復(fù)水體水質(zhì)的維持和提高，并在此基礎(chǔ)上可逐步建立一個(gè)較為穩(wěn)定的、生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)。由于沉水植物伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收有較低Km值和Vaz值，因此更適合對(duì)輕度污染的富營(yíng)養(yǎng)化水體直接應(yīng)用伊樂(lè)藻來(lái)去除養(yǎng)分和維持水體水質(zhì)。

13、 5.對(duì)三種水生植物：黃花水龍(Jussiaea stipulacea Ohwi)、伊樂(lè)藻(Elodeanuttallii)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)分泌有機(jī)酸的分析結(jié)果表明：三種水生植物分泌的主要有機(jī)酸組分以草酸和酒石酸為主。而且不同種類的水生植物會(huì)分泌不同量的兩種有機(jī)酸，其中對(duì)草酸和酒石酸的分泌量都以黃花水龍為最多。由于水生植物在生長(zhǎng)的不同階段，會(huì)分泌出不同的種類和數(shù)量的有機(jī)酸。因此，種植不同的水生

14、植物將會(huì)在不同的時(shí)期對(duì)水體環(huán)境造成不同的影響，從而影響到根系微生物的群落和分布，進(jìn)而影響到植物—微生物系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)效果。 6.植物分泌物和功能微生物的相互作用對(duì)于植物—微生物系統(tǒng)凈化水質(zhì)效果扮演著重要的作用。當(dāng)加入三種植物(黃花水龍，鳳眼蓮，伊樂(lè)藻)的分泌物后對(duì)試驗(yàn)中所接種的氮循環(huán)微生物和光合細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果表明：三種水生植物粗分泌物對(duì)光合細(xì)菌都起到了促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，但是對(duì)于氮循環(huán)微生物卻有不同的作用效果：分泌物