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《首都师范大学》 2012年
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北运河水体中氨氮的氧化过程及微生物响应特征

于洋  
【摘要】:我国河流普遍存在氨氮污染严重的问题,由于氮进入河流后的迁移转化过程非常复杂,氨氮通过硝化、反硝化过程和水生生物同化作用得到降解,这两种机制都存在微生物的参与,因此氮降解过程中微生物的研究对认识氮转化过程、解决氮污染问题十分重要。氨氮作为我国河流的主要污染物,其降解过程中的氨氧化过程常常是限速过程,其中化能自养细菌氨氧化细菌需要利用氨氮和二氧化碳作为氮源和碳源,结合氧分子将氨氮降解至亚硝态氮,而这一过程有机碳虽然不直接参与,但在硝化过程中具有重要地位。要深入了解河流水体中氨氮降解过程就必须从氮的形态及转化、环境因素和微生物各方面进行分析。通过分子生物学技术进行氨氧化细菌的定量研究,得到河流水体氨氮降解特点及参与其转化的微生物之间的关系,并对影响氮的转化、微生物活性的环境因子进行研究,探索河流动态过程中氮素迁移转化机理,为河流氨氮污染的治理奠定基础。 北运河氨氮污染严重,溶解氧浓度较低,可生化降解性差,水质改善困难,本文研究的主要目的是:(1)掌握北运河水体污染特征和主要污染因子;(2)从水体中浮游细菌多样性及群落结构特征了解北运河水体的生态环境状况;(3)建立科学可信的水体氨氧化细菌定量方法对氨氧化细菌的生长过程及其与氮和溶解性有机碳的响应关系;(4)评估北运河水体的硝化活性及其与环境因子的关系;(5)探索人为因素及环境因子对北运河硝化过程的影响。 论文主要研究结论可概括为以下几个方面: (1)通过2010年至2011年春、夏、秋、冬四季北运河20个采样点水体各水质指标的监测和现场调查,得到北运河的污染特征。北运河水体污染严重,主要水质指标总氮、总磷、COD等指标均超过地表水V类水标准,经过因子分析得出氨氮和COD为主要污染因子。北运河干流水体氨氮在时间和空间尺度都保持在较高的水平,清河、坝河、凉水河支流汇入对北运河营养盐浓度有较大贡献。氨氮浓度在较短距离内表现出降低的趋势,溶解氧水平则因支流汇入、闸坝拦截等人为活动影响出现较大波动。 (2)分别于春季、夏季、冬季三个季节对北运河干流的10个点进行水体采集监测,采用T-RFLP技术对水体浮游细菌群落结构进行分析。根据得到的TRFs片段计算微生物多样性指数和均匀度指数,分析得出目前北运河水体生态结构已经较为脆弱,夏季细菌群落种类明显高于其他两个季节,218bp片段是北运河水体中的绝对优势菌种。通过CANOCO软件分析细菌群落结构与水质指标的空间特点和相关关系,北运河水体的微生物群落结构空间上差异较大,支流输入和闸坝的设置对微生物的群落结构均能产生影响,总磷、总有机碳和温度对微生物群落的影响较大。 (3)以amoA基因作为扩增氨氧化细菌的目的基因,扩增出的491bp的DNA片段进行测序并在GenBank上进行Blast同源性比对,结果表明与多条非培养的氨单加氧酶基因片段有较高的同源性。采用Real-time PCR荧光染料方法对氨单加氧酶基因拷贝数进行测定。Real-time PCR得到amoA基因的扩增曲线,扩增效率和熔解曲线表明结果可信,北运河水体中AOB数量为6.9×107-1.7×109copies/L。通过与其他研究区水体中氨氧化细菌数量进行比较后可知,北运河水体中氨氧化细菌数量较为可观,高于中国的东江、岷江和法国的赛纳河。 通过室内模拟实验,观察北运河水体氨氮自然降解过程中,氨氧化细菌数量和各形态氮的变化情况。对于高污染的水体在没有外源输入的情况下,硝化过程需要进行19天才能将氨氮降解至较低水平,在这个过程中除了氨氧化细菌对氨氮降解的贡献外,可能还存在其他微生物的作用,如异养微生物等。在氨氧化过程进行完全之后,氨氧化细菌及其他异养微生物由于缺乏氮源而出现死亡,微生物细胞释放出有机氮和有机碳而造成二次有机污染。 (4)水体中的碳降解过程与氨降解过程分两个不同的阶段进行,氨氧化过程的碳源是CO2形态而非有机碳,但氨氧化过程却必须在有机碳存在的条件下才能进行,同时两个过程又在争夺氧气以进行降解。应用ATU作为硝化抑制剂在室内条件下分别对十日内碳化过程和硝化过程耗氧量进行观察,并通过无机氮离子浓度的变化情况获取水体的硝化活性。可知北运河水体硝化耗氧量对水体耗氧的比重较大,硝化过程是参与水体溶解氧消耗的重要部分。而与其他河流相比,北运河水体也具有较高的潜在硝化活性。北运河水体氨氮浓度却一直保持在较高的水平,高浓度有机碳和氨氮为氨氧化细菌及其他微生物提供了足够的能量来源。以目前水体的硝化活性,只能使氨氮维持在稳定的浓度水甲,自然硝化能力不能满足高浓度氨氮的降解需要。对营养因子与硝化活性的回归分析得出,溶解性总有机碳浓度对硝化活性具有抑制作用。 (5)采用原位实验对两个重点闸坝区段一沙河闸和杨洼闸上下游设置连续监测断面,对氨氮浓度、溶解性总有机碳浓度、硝化活性及氨氧化细菌数量的空间分布变化进行分析,结合两河段的污染特征和实际特点发现,沙河水库内和杨洼闸上两个闸上位置水体的氨氮浓度和硝化活性水平相似。沙河闸下游由于污染源汇入导致了硝化活性和氨氧化细菌增加,但高硝化能力只能作用于较短距离内,下游硝化活性与氨氧化细菌下降,氨氮浓度上升。杨洼闸闸坝频繁开启调节,使闸下瞬时流速激增对水体进行人为扰动,导致溶解氧徒增,下游颗粒物再悬浮,对硝化活性和氨氧化细菌的增长有益,但随着颗粒物迁移有可能造成内源污染释放导致下游氨氮上升。
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