硝酸钙、生物促生剂和沉水植物对城市河道黑臭底泥微生物群落结构的影响

摘要

城市河道黑臭底泥一般堆积较厚，有机质含量高，缺氧严重，氧化还原电位低，在这样特殊的生境下生存大量引起底泥黑臭的致黑臭微生物，包括硫还原细菌、部分放线菌等，它们在底泥缺氧的情况下，不完全氧化有机物产生乔司脒、挥发性有机硫化合物、2-甲基异崁醇等低嗅阈化合物以及硫化氢、氨气等小分子臭味气体。底泥中生活的另一类微生物，不仅不产生黑臭，还能削减黑臭物质，包括部分反硝化菌、硫氧化细菌等消除黑臭的菌群。因此，微生物群落结构的调整是底泥黑臭去除的重要措施。添加硝酸钙、生物促生剂以及利用水生植物根部放氧等均为常用的有效底泥氧化修复手段。而对于这些手段的研究更多着重于其对底泥及上覆水的理化性质的影响，关于其对微生物群落结构调整的报道则很有限。论文假设，黑臭底泥在经由添加硝酸钙、生物促生剂和种植沉水植物等手段处理后，微生物群落结构，尤其是功能性微生物群落结构将发生改变，从而为底泥黑臭的消除提供基础。 为验证假设，研究采集城市河道黑臭底泥，应用人工系统模拟，研究底泥添加硝酸钙（CN组）、生物促生剂（BE组）和种植沉水植物（苦草，Mac组）条件下，黑臭底泥微生物丰度、多样性及群落结构的变化，同时监测上覆水及底泥理化性质，探讨底泥微生物群落结构与环境变量之间的关系。论文通过比较不同修复手段对微生物群落结构的影响，探索影响不同类群微生物的理化因子，明确不同微生物在河道黑臭修复中的作用，最终为城市河道黑道底泥微生物群落的改善与综合治理提供理论依据。本论文的主要结果有： （1）底泥通过三种处理方式，理化性质中，CN组和BE组底泥氧化还原电位呈现显著差别，比空白对照组显著增高（p＜0.05），分别是对照组的9.29和9.49倍。CN组烧失量显著下降（p＜0.05），减少量为58.67%。 （2）不同实验组底泥中细菌丰度在6.18×105～2.97×106copies/g之间。Mac组和CN组底泥中细菌丰度与对照组相比有所减少，而BE组略有增加。实验组的Shannon多样性指数在6.37～6.84之间，均匀度指数处在0.62～0.65之间，都以CN组最低，而BE组最高。 （3）高通量测序一共检出55个门，130个纲和802个属的细菌。结果发现以门为分类单元，实验底泥中的优势菌为Proteobacteria,Chloroflexi,Firmicutes,Bacteroidetes,Acidobacteria和Deinococcus-Thermus等；各菌门在不同实验组中的丰度存在很大差异。其中，Deinococcus-Thermus在处理组中的丰度显著小于对照组（p＜0.05），在Mac组、CN组和BE组中分别减少了70.20%、79.68%和73.52%。属水平上的SIMPER分析，结果显示Ferribacterium,Clostridium,Anaerolineaceae sp.,Xanthomonadales sp.等是导致处理组与对照组差异的主要菌属，相比对照组这些菌属在处理组中的丰度都显著下降（p＜0.05）。通过多维尺度（MDS）分析显示BE组底泥中细菌群落结构与对照组的差异性最大。冗余分析（RDA分析）显示底泥氧化还原电位（Eh）和pH可能是影响底泥细菌群落结构的主要环境因子。 （4）通过对不同实验组底泥中潜在特殊功能菌群进行分析。与对照组比较发现，潜在致黑臭菌群：包括部分硫酸盐还原菌、铁还原菌、产酸菌和放线菌等在所有处理组中，除了BE组中硫酸盐还原菌没有减少外，丰度为6.29×103，其他潜在致黑臭菌群在各处理组中都有不同程度的减少。潜在致黑臭菌群：硫酸盐还原菌、铁还原菌、产酸菌和放线菌在Mac组中分别比对照组减少了81.95%、79.64%、71.78%和68.30%；在CN组中分别减少了71.32%、64.20%、65.46%、41.73%。BE组中潜在的铁还原菌、产酸菌和放线菌分别比对照组减少了32.21%、40.61%和50.22%。Mac组潜在消除黑臭的菌群丰度为2.36×104比对照组丰度小，但是没有存在显著差异（p＞0.05）；CN组和BE组中潜在消除黑臭的菌群丰度都大于对照组，分别为7.23×104和1.36×105。冗余分析（RDA分析）显示底泥Eh和pH可能是影响潜在特殊功能菌群的主要环境因子。 综上所述，黑臭底泥在经由硝酸钙、生物促生剂添加和种植沉水植物等常用手段处理后，底泥中潜在致黑臭菌群丰度下降，潜在消除黑臭的菌群丰度上升，理化性质也得到改善：并且添加硝酸钙和生物促生剂作用效果比种植苦草更显著。同时，RDA分析显示，各处理方式带来的Eh和pH变化可能为微生物群落结构变化的主要影响因子。这些结果有助于理解黑臭底泥修复中微生物群落结构变化，也为微生物在底泥修复中的应用提供理论基础。

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