發(fā)布時間：2020-07-24 03:10

【摘要】：針對分層型水庫水體細菌群落在熱分層演化過程中的自然演替特征以及揚水曝氣技術(shù)對水庫水體熱分層狀態(tài)破壞下水體細菌群落的響應(yīng)變化,本研究采用Biolog微平板技術(shù)、高通量測序技術(shù)、PCR-DGGE技術(shù)和流式細胞術(shù)等方法,結(jié)合水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果,從功能多樣性與結(jié)構(gòu)多樣性的分子生物學(xué)角度揭示了水體細菌群落在驅(qū)動水庫水體水質(zhì)演變與元素轉(zhuǎn)化中的主要作用以及揚水曝氣原位改善水庫水質(zhì)的生物學(xué)機制。重點研究了:水庫熱分層對水體細菌群落的影響;水庫分層演化過程中水體細菌群落演替特征;周村水庫沉積物中硫酸鹽還原菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性;揚水曝氣技術(shù)對水庫水體細菌群落的調(diào)節(jié)及對其活性的強化作用。獲得以下主要結(jié)論:(1)水庫水體熱分層演替造成了水體垂向上微生物棲息地異質(zhì)性。石砭峪水庫、金盆水庫和周村水庫水體細菌群落在水體分層狀態(tài)下呈現(xiàn)出分層性差異,厭氧水體多樣性指數(shù)高于好氧水體。水體細菌群落分層性差異與水體溶解氧、溫度、pH及營養(yǎng)鹽濃度的垂向梯度具有一致性。(2)探明了水庫水體細菌群落碳源代謝活性的變化特征:水體在混合狀態(tài)下,細菌群落對主要碳源的代謝能力處于同一水平;水體分層后,對酯類、胺類和糖類碳源的代謝能力高于氨基酸類、羧酸類和醇類碳源,細菌群落的碳源代謝平衡被破壞;由于表層與底層水體之間的功能多樣性差異,分層期水體整體碳源代謝活性低于混合期,底層總有機質(zhì)出現(xiàn)積累。結(jié)果表明水體分層會降低微生物對有機污染物的降解能力。(3)水體在混合狀態(tài)下,細菌群落結(jié)構(gòu)組成在垂向上保持均一,變形菌(Proteobacteria)為最優(yōu)勢的種群之一。水體在分層狀態(tài)下,垂向產(chǎn)生結(jié)構(gòu)差異:藍藻細菌(cyanobacteria)成為表層好氧水體比例最高的種群,并且垂向分布特征與水體ph梯度相對應(yīng);變形菌在周村水庫底層厭氧水體中爆發(fā),最高比例達到80.7%,主要原因是由于沉積物污染釋放進入底層水體造成的水質(zhì)惡化。周村水庫參與地球生物化學(xué)循環(huán)的種群伴隨水體分層狀態(tài)顯示出周期性演替特征:分層期水體中參與氮元素、硫元素的細菌種群比例增加;厭氧水體中以甲基暖菌屬(methylocaldum)、甲基單胞菌屬(methylomonas)為代表的參與甲烷循環(huán)種群比例增加;硫酸鹽還原菌比例在底層水體上升至5.1%,底層水體中硫化物含量上升至1.281mg/l,兩者變化具有一致性。結(jié)合水質(zhì)變化數(shù)據(jù),溶解氧、ph等環(huán)境因子對細菌群落結(jié)構(gòu)組成起到了重要作用。(4)周村水庫主庫區(qū)沉積物具有較高的有機質(zhì)含量和硫化物含量,酸揮發(fā)性硫化物濃度在最深點達到205.9μg/g,硫酸鹽還原菌最高數(shù)量達到1.15×105cells/g。pcr-dgge檢測結(jié)果表明硫酸鹽還原菌優(yōu)勢種群為脫硫桿菌屬(desulfobacterium)和脫硫葉菌屬(desulfobulbus),對水體中硫酸鹽還原菌的優(yōu)勢種群起到?jīng)Q定作用。沉積物中有機質(zhì)、總氮、總磷含量是決定硫酸鹽還原菌多樣性的主要理化性質(zhì)因素之一。(5)揚水曝氣作用使得水體細菌群落分層性差異消失,各細菌種群比例在垂向上趨于均一:混合充氧作用對表層水體藍藻細菌及底層厭氧型細菌種群具有明顯的削減作用,其中金盆水庫表層水體藍藻細菌由運行前47.4%削減至運行后不足5%;水質(zhì)改善效果對底層水體中變形菌的爆發(fā)有抑制作用;周村水庫底層硫酸鹽還原菌比例削減78.8%,硫化物削減98.3%。揚水曝氣強化脫氮菌效果顯著:金盆水庫運行后具有好氧反硝化潛能的種群總比例上升到14.9%;假單胞菌屬(pseudomonas)等典型好氧反硝化種群比例上升顯著;周村水庫底層水體溶解性總氮削減86.1%,脫氮效果顯著。揚水曝氣對細菌群落代謝活性具有明顯的提升作用:在運行后水體細菌群落對碳源代謝能力恢復(fù)平衡基礎(chǔ)上,總代謝活性上升;對糖類、胺類的利用程度大幅度增加,對d-木糖、α-d-乳糖等多類單一碳源的代謝活性增幅超過100%;水體中總有機質(zhì)削減32%,有機污染物得到更有效的降解。揚水曝氣運行后明顯改變的溶解氧、ph和總磷等環(huán)境因子是提升細菌群落碳源代謝活性的主要因素。(6)針對課題組篩選出的好氧反硝化菌劑,診斷了高效菌株對發(fā)光細菌、斑馬魚等標準受試物的生態(tài)、生物安全性。結(jié)果表明:好氧反硝化菌數(shù)量的增加不會破壞水體細菌群落結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài);高效菌株不會對飲用水水質(zhì)安全產(chǎn)生威脅;對水生生物不會產(chǎn)生毒性及致病性影響。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X524
【圖文】：

2.2.2 采樣點布置本研究在石砭峪水庫主庫區(qū)水深最大區(qū)域設(shè)置 2 個平行采樣點，采樣點之間距離間隔 300 米，分別為采樣點 S1、S2，如圖 2.1 所示。

圖 2.1 石砭峪水庫主庫區(qū)采樣點布置示意圖本研究在金盆水庫主庫區(qū)水深最大區(qū)域設(shè)置 3 個平行采樣點，采樣點之間間隔 300 米，分別為采樣點 A（34o02'45"N，108o12'25"E）、B（34o02'388o12'14"E）、C（34o02'47"N, 108o12'15"E），如圖 2.2 所示。

解氧梯度更加明顯，至水深 10.53m 以下溶解氧含量便處于 3 mg/L 以下的低溶解氧狀態(tài)，在底部 25.32m 水深以下的溶解氧在水體以及沉積物的雙重耗氧作用下形成厭氧環(huán)境。與此同時，底部厭氧環(huán)境促進了沉積物中磷元素的釋放，致使底部水體總磷含量升高，如圖 2.3（D）所示。至此得出，石砭峪水庫水體由 2014 年 月 16 日至 6 月 16 日本研究的兩次采樣日期間完成穩(wěn)定熱分層。

本文編號：2768230