锰矿石人工湿地甲烷消减及碳的归趋途径研究

摘要

随着全球温室效应逐步加强，控制温室气体的排放已成为21世纪全人类所面临的最首要的任务之一。甲烷作为仅次于CO2的第二大温室气体，对全球气候变化的影响达30％。地球上最大的甲烷自然排放源是湿地，由于底层供氧不足，湿地常处于厌氧或缺氧状态，有机物在产甲烷菌的作用下产生大量甲烷气体。因此湿地甲烷的消减逐渐引起科学界的高度关注。本实验基于人工湿地特殊的供氧环境，引入天然锰矿石作为湿地填料，研究了高价锰矿物对湿地系统甲烷排放量的消减效果，探索锰矿物驱动的湿地甲烷消减机理，为湿地系统甲烷减排提供新的方法和理论指导。
　　本实验主要研究了在乙酸钠和葡萄糖两种碳源下，分别以锰矿石和砾石为填料的人工湿地污染物去除效果和甲烷消减效果，对比分析了人工湿地系统微生物的多样性及种群结构，并开展了湿地系统碳的归趋途径研究，明确湿地内部碳的分布及流向。实验得到的主要结论如下：
　　①两种碳源下，锰矿石填料和砾石填料人工湿地系统对COD都有较好的去除效果，稳定运行后去除率都能保持在70～90%；NH4+-N的去除效果不太理想，平均去除率在20～40%。碳源的不同对于锰矿石和砾石填料湿地在COD和NH4+-N的去除效果方面影响不大，就其中某一种碳源（乙酸钠或葡萄糖）的情况而言，以锰矿石为基质填料的人工湿地系统对于污水中碳氮的去除效果明显优于以砾石为基质填料的湿地系统。
　　②在乙酸钠为碳源时，锰矿石和砾石填料人工湿地系统单个周期内（以5天计）甲烷的排放量分别为24.92±15.72mg和146.61±39.58mg，锰矿组甲烷气体的排放量与砾石组相比减少了80%以上。以葡萄糖为碳源时，湿地系统测得的甲烷排放量为乙酸碳源时候的2～3倍，但锰矿组产生的甲烷量仍远远小于砾石组，实验期间测得平均排放量仅占砾石组的26.58%。总体来讲，在两种碳源下，锰矿石填料人工湿地系统对于甲烷的排放的均有明显的消减效果，相对砾石填料湿地甲烷的排放量可减少70～90%。
　　③两种碳源下，锰矿石填料和砾石填料人工湿地系统所包含的微生物物种（门水平）较为相似，优势菌门都为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi），但细菌种类（属水平）的差异较大。两种碳源下，均存在产甲烷菌和其他与污染物去除有关的细菌，其中，锰矿组湿地内部检测到丰度较高的异化金属还原菌，而砾石组则未检测到该类菌属，可以推测锰矿石湿地由于异化金属还原菌和产甲烷菌的底物竞争作用抑制了产甲烷菌的产甲烷过程，从而减少了甲烷的排放。
　　④在进水碳源相同的情况下，锰矿石填料和砾石填料人工湿地系统碳的输出方式有较大的差异。砾石组大部分碳的去除依靠厌氧发酵产CH4和CO2的形式排出，是一个传统的厌氧湿地；而锰矿组气态CH4以及CO2的排放量均比较少，大部分的碳以溶解性无机碳和碳酸盐沉淀形式存在于固液两相中，因此锰矿物的掺入对湿地CH4排放有抑制作用的同时对CO2的排放也有一定的消减效果。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2湿地甲烷的排放机制

1.3甲烷的氧化机制研究进展

1.4实验研究的目的、内容和技术路线

2 实验方案和实验材料

2.1实验设计

2.2实验步骤

2.3测试方法

2.4实验材料及设备

3 不同碳源下湿地运行效果及甲烷消减研究

3.1以乙酸钠为碳源的湿地运行效果

3.2以葡萄糖为碳源的湿地运行效果

3.3不同碳源下湿地甲烷的消减研究

3.4 本章小结

4 湿地系统微生物分析

4.1高通量测序原理及步骤

4.2统计学分析

4.3微生物分析

4.4本章小结

5 湿地系统碳的归趋途径

5.1液相碳分析

5.2气相碳分析

5.3固相碳分析

5.4湿地系统碳的流向与分配

5.5锰离子浓度及pH分析

5.6本章小结

6 结论与建议

6.1结论

6.2问题及建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果