【摘要】：溶解氧是水生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的元素,與其他參數(shù)相比,溶解氧更能反映水生態(tài)系統(tǒng)中新陳代謝的情況。沉積物是水體中物質(zhì)與能量代謝的重要場所,它包含眾多的微生物種群以及各種化合物,氧環(huán)境決定了物質(zhì)在沉積物中的賦存形態(tài)與最終歸趨。沉積物中的溶解氧主要來源于上覆水體的傳遞,而沉積物-水界面(sediment-water interface,SWI)是氧傳遞發(fā)生的重要區(qū)域。論文采用渦度相關(guān)法,測試了不同水體水動力條件下SWI氧通量,探索了水動力條件對SWI氧通量的影響。基于測得的通量結(jié)果,結(jié)合沉積物氧剖面分析和沉積物氧利用速率以及實驗前后Fe~(2+)、Mn~(2+)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化,計算了沉積物生物耗氧量與化學(xué)耗氧量,探究了沉積物耗氧機制,建立了水體水動力條件對SWI氧通量與沉積物耗氧量之間的響應(yīng)關(guān)系,獲得了SWI氧通量產(chǎn)生機制。同時利用高通量測序技術(shù)對裝置內(nèi)沉積物進行測試,從微生物分子生物學(xué)的角度分析了沉積物中可能消耗溶解氧的相關(guān)功能菌的信息。論文的研究結(jié)論如下:(1)不同水動力條件對SWI溶解氧濃度有影響。當(dāng)水體平均流速較低(對應(yīng)平均流速為0.00m/s、0.03m/s)時,SWI溶解氧濃度既可圍繞平均值上下波動,也可緩慢上升,或者兩者兼有。當(dāng)水體平均流速較高(對應(yīng)平均流速為0.07m/s、0.12m/s、0.20 m/s)時,SWI溶解氧濃度隨水體平均流速的加快不斷上升。(2)SWI氧通量與垂直渦動擴散系數(shù)受水體水動力條件的影響明顯,隨水體平均流速的上升而上升。實驗在平均流速為0.00m/s時獲得SWI氧通量與垂直渦動擴散系數(shù)的最小值,平均值分別為1.197±0.121mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.859×10~(-9)±8.716×10~(-11)m~2·s~(-1);在平均流速為0.20m/s獲得SWI氧通量與垂直渦動擴散系數(shù)的最大值,平均值分別為43.981±1.326mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.137×10~(-6)±7.299×10~(-8)m~2·s~(-1)。(3)SWI氧通量與垂直渦動擴散系數(shù)隨水體水動力條件改變的變化趨勢一致,可劃分為三階段。第一階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由分子擴散決定,水體由靜止開始緩慢流動,氧通量較小。第二階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由渦動擴散決定,水體流速加快,清晰穩(wěn)定的泥水界面消失,沉積物開始懸浮,氧通量增長較快。第三階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由渦動擴散決定,水體流速進一步加快,SWI表層沉積物完全懸浮,上覆水變得渾濁,氧通量達到最高值。(4)沉積物中的溶解氧主要來自大氣復(fù)氧,運用質(zhì)量守恒定律,可以建立起單位面積沉積物在計算時段內(nèi)SWI氧通量與沉積物耗氧量之間的等式關(guān)系。實驗通過氧通量傳輸進入沉積物的溶解氧總量平均為0.662mmol,沉積物生物耗氧量平均為0.175mmol,占26.4%;化學(xué)耗氧量平均為0.045mmol,占6.8%;氧殘存量增加值平均為0.082mmol,占12.4%;其他耗氧量平均為0.360mmol,占54.4%。(5)水體水動力條件通過決定水體大氣復(fù)氧及復(fù)氧向水下擴散的速率,深刻地影響著沉積物所處的氧環(huán)境。當(dāng)水體平均流速較低,沉積物處于缺氧狀態(tài)時,沉積物耗氧量以生物耗氧量為主。當(dāng)水體平均流速較高,沉積物由缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài)時,生物耗氧量減小,化學(xué)耗氧量與其他耗氧量中的化學(xué)過程耗氧量占沉積物耗氧量的比重逐步提高,且此時發(fā)生的沉積物再懸浮對沉積物耗氧量組成影響很大。(6)通過與Greengene數(shù)據(jù)庫進行對比,在L、R兩個樣品中物種豐度均大于0.5%的物種共有18個。在兩個樣品中的平均豐度大于3%的有7門,其中變形菌門占比最大,為52.54%;其余依次為擬桿菌門(8.60%)、廣古菌門(7.56%)、疣微菌門(5.39%)、綠彎菌門(4.94%)、硝化螺旋菌門(4.32%)、酸桿菌門(3.66%)。(7)變形菌門是實驗沉積物中豐度最大的細菌,其功能復(fù)雜,營養(yǎng)條件多樣,是控制實驗沉積物環(huán)境、造成沉積物生物過程與化學(xué)過程耗氧量的關(guān)鍵菌種。實驗在L、R兩個樣品中檢測到變形菌門下的硫酸鹽還原菌主要有脫硫盒菌目、脫硫桿菌目、脫硫弧菌目、除硫單胞菌目、互營桿菌目;檢測到的具有氨氧化能力的細菌主要有產(chǎn)堿桿菌科、亞硝化單胞菌科;除產(chǎn)堿桿菌科與亞硝化單胞菌科以外,未檢測到屬于變形菌門且具有亞硝態(tài)氮氧化能力的細菌,硝化螺旋菌門下的硝化螺旋菌綱在硝化反應(yīng)中占主導(dǎo)地位。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X52;X171.1
【圖文】：

①水體水動力條件對 SWI 氧通量大小的影響基于渦度相關(guān)法，利用聲學(xué)多普勒剖面儀和溶解氧微電極測試并計算不同水動力條件下 SWI 氧通量與垂直渦動擴散系數(shù)，探究水體水動力條件對 SWI 氧通量大小的影響。②SWI 氧通量產(chǎn)生機制結(jié)合沉積物氧剖面分析和沉積物氧利用速率以及實驗前后 Fe2+、Mn2+、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化，計算沉積物生物耗氧量與化學(xué)耗氧量，探究沉積物耗氧機制。由氧的質(zhì)量守恒，建立 SWI 氧通量與沉積物耗氧量之間的響應(yīng)關(guān)系，獲得 SWI 氧通量產(chǎn)生機制。③沉積物微生物分子生物學(xué)機理利用高通量測序技術(shù)對裝置內(nèi)沉積物進行測試，從微生物多樣性方面分析沉積物微生物分子生物學(xué)特征，找出沉積物中可能消耗溶解氧的相關(guān)功能菌的信息。1.3.3 技術(shù)路線研究技術(shù)路線如圖 1.1 所示。

圖 2.1 御臨河研究區(qū)域及采樣點（a）重慶在三峽庫區(qū)的位置 （b）御臨河在三峽庫區(qū)的位置 （c）御臨河采樣點位置Fig.2.1 Study area and the sampling sites of Yulin River(a) Location of the Chongqing City in Three Gorges Reservoir (TGR) in China. (b) Location of theYulin River in the TGR. (c) Location of sampling sites in the Yulin River.2.2 采樣點及樣品處理課題組對御臨河水質(zhì)、水文進行了長期跟蹤監(jiān)測，基本掌握了御臨河周期性的水質(zhì)與水動力條件變化的基本規(guī)律�？紤]到取樣的可行性與樣品的代表性，實驗選擇河口斷面設(shè)置取樣點。其理由是，東河、西河斷面上游來水泥沙含量較少，河床沉積物不多且采樣不便；梅溪、舒家、排花斷面因其河道自然落差較大，流速較快，河床沉積物同樣較少；河口斷面是御臨河回水區(qū)域的起始點，相比上游斷面流速要緩慢些，沉積效應(yīng)更加明顯，采樣相對方便。同時，河口附近消落帶受三峽大壩運行調(diào)度影響最為明顯，底泥中含有的營養(yǎng)鹽及重金屬更多。實驗選擇在泄水期水位較低時于河口斷面采集實驗底泥沉積物和上覆水。使

2.3 實驗裝置加工實驗裝置進行模擬實驗。實驗裝置如圖 2.2 所示，該裝置是尺寸為長×寬×高=1.2m×1.0m×0.8m 的長方體有機玻璃水槽。在裝置左右各設(shè)置一根鐵架，用于在其中心對稱設(shè)置兩臺可調(diào)轉(zhuǎn)速的攪拌轉(zhuǎn)子，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可改變水體平均流速，從而模擬各種水動力條件。裝置正中鋪設(shè)有一根速度可調(diào)節(jié)的自動往返軌道，并將聲學(xué)多普勒剖面儀固定在軌道下方。在自動往返軌道中間還設(shè)置有可伸縮調(diào)節(jié)高度的豎桿，并將溶解氧微電極固定于豎桿上，調(diào)節(jié)豎桿高度使溶解氧微電極探頭位于聲學(xué)多普勒剖面儀正下方。實驗過程中所用聲學(xué)多普勒剖面儀與溶解氧微電極通過電纜各自連接聲學(xué)多普勒剖面儀主機及溶解氧微電極主機，用于將各自信號輸出到計算機并通過相應(yīng)軟件轉(zhuǎn)變?yōu)樗钄?shù)據(jù)。將經(jīng)過預(yù)處理過篩的底泥沉積物充分混合均勻，平鋪在裝置底部，控制底泥厚度 15cm 左右。鋪設(shè)完畢后，利用虹吸原理將所采上覆水緩慢注入裝置以盡可能避免再次擾動底泥沉積物，控制水深 50cm，靜置三天，待水樣澄清后，開始實驗。實驗開始前對上覆水進行測試，結(jié)果為高錳酸鹽指數(shù) 12mg/L，總氮 1.8mg/L，氨氮 1.6mg/L，總磷 0.1mg/L。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李旭光;齊占會;林琳;張U

本文編號：2778532