红树林人工湿地对生活污水的净化效率及基质微生物结构与功能多样性研究

摘要

人工湿地是上世纪兴起的废水处理工艺，在世界范围内广泛建立用于生活、农业、水产养殖业、工业及矿业的污水处理，并获得了良好的净化效率，但人们对其净化机理，特别是基质微生物的结构功能还知之甚少；红树林是生长于热带亚热带海域且具有较强净化功能的多年生木本植物，是适于构建人工湿地的植物，但目前对红树林的应用仍处于可行性研究阶段，对不同红树植物净化能力的比较研究也较少，迄今为止还未见生长迅速的红树种海桑用于人工湿地的相关报道。为此，本论文的研究目的是：监测野外实际运行状态下红树林人工湿地对生活污水的净化效率，探讨红树林作为人工湿地植物的可行性；研究基质微生物结构的时空变化规律，较全面、深入了解湿地系统内部污水生物净化机制，丰富微生物生理生化等方面的信息，为揭开湿地净化机理奠定一定的理论基础。 本研究以红树林人工湿地上行流系统为研究对象，围绕人工湿地净化效率及基质微生物结构功能多样性展开相关研究。在较大规模、较长时间跨度上研究了红树林人工湿地的净化效率，肯定了红树林作为人工湿地植物的可行性；将磷酯脂肪酸(PLFA)等方法引进到湿地微生物生态研究中，较为系统全面地研究了基质微生物的结构、功能的分布变化规律，探讨基质微生物结构、功能与湿地净化效率的相关性。本研究的主要成果如下： 1.建立了占地约400m2的福田红树林人工湿地中试系统，系统由三条结构相同的带(长*宽*高：33cm*3m*0.5m)构成，湿地内分别种有3种红树植物(外来种海桑和本地种秋茄、桐花树)，数据监测于2006年4年正式开始，持续时间约两年。在水力负荷为5 m3d-1belt-1，停留时间约3天的运行参数下，各湿地带对COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、SP的平均去除率分别为65％、74％、53％、52％、67％、70％。不同红树植物湿地带的去除能力不同，且去污效率与植物生长状况密切相关，在湿地运行初期，海桑由于生长速度显著大于秋茄、桐花，海桑湿地带的除污能力最强；在2006年10月，保护区为了防除外来植物薇甘菊，全面喷洒化学试剂，海桑受到化学试剂的影响，至2007年4月死亡一半，剩余存活的海桑也因此而生长不良，使得此后海桑湿地带的去污能力较差，但桐花树和秋茄生长不受影响，且桐花树湿地带对有机物、营养盐的去除效率显著高于其它湿地植物带(P＜0.05)。人工湿地对肠道菌群的去除率均高于80％，不同植物带之间无显著差异(P＞0.05)，但出水中的菌体数量仍然远远高于国家污水排放标准，故人工湿地若用于肠道菌的去除应与其它措施(如氯化等)结合起来。二年的监测数据表明：三条红树植物湿地带的去污能力较稳定，红树林是比较理想的人工湿地植物，虽然在湿地运行初期，外来种海桑由于生长速度最快而获得较好的去污效率，但由于其对化学试剂、低温等不良环境敏感，生长不稳定，故需要进一步的研究其作为人工湿地植物的可行性。 2.研究了人工湿地中试系统中基质表层(0-5cm)的生物化学活性，发现微生物生物量碳在近入水口之处含量较高，在温度较高的运行阶段(2007年8月)高于温度较低的运行阶段(2006年11月和2007年12月)，且桐花树湿地带基质中的含量显著高于其它两条湿地带；海桑湿地带基质微生物的呼吸强度和代谢系数均高于其它湿地带，代谢系数在远离入水口之处较高，可能与此处营养物质较少，微生物易受到营养胁迫有关。 3.磷酯脂肪酸结果分析表明中试系统表层基质中主要由分支或不分支饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、双不饱和脂肪酸组成，其中，细菌和真菌脂肪酸较多，放线菌脂肪酸含量很少，且细菌脂肪酸含量显著高于真菌脂肪酸含量，各种类型的脂肪酸含量一般随湿地运行时间的延续而稳定增长；某些特征脂肪酸比值也呈现一定的变化规律，如G+/G-、monounsat/sat比值随湿地运行时间而逐渐增大，脂肪酸图谱的变化特征说明此人工湿地基质中微生物结构逐渐稳定，整个湿地系统渐趋成熟。主成分分析表明，PC1方向微生物群落分离的脂肪酸主要来自于革兰氏阴性菌(14：1，15：1，17：1)、革兰氏阳性菌(i17：0)、真菌(18：2ω6,9)和18：1ω9c，负责PC2方向微生物群落分离的脂肪酸主要来自于饱和脂肪酸(16：0，17：0和18：0)。 4.研究了人工湿地中试系统表层基质中酶活性的时空变化规律，结果表明7种酶活性(纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、脲酶、芳基硫酸酯酶、磷酸酶和脱氢酶)在不同植物湿地带、不同运行时间、不同水平距离存在显著差异。除蛋白酶外，基质酶活性在温度较高的运行阶段(2007年8月)高于温度较低的运行阶段(2006年11月和2007年12月)；不同植物湿地带的酶活性随植物长势变化，在海桑生长旺盛时期，海桑湿地带内的基质酶活性高于其它两条湿地带，但当海桑受到化学试剂的影响生长受限时，基质酶活性相应降低，而桐花树湿地带由于植物生长稳定旺盛，基质酶活性较高；基质酶活性一般随着水平距离的增加而活性降低。 基质酶活性与湿地净化效率显著相关，其中有机物(BOD5和CODcr)和总氮的去除率与酶活性的相关性显著，而磷的去除率与酶活性的相关不显著，这可能是因为污水中的有机磷含量较少所致。 5.模拟中试系统建立了24个人工湿地小试系统(长*宽*高：50cm*35cm*25cm)，分为污水处理组和自来水处理组，各实验组又分为种植红树植物湿地和不种植物的空白对照湿地，结果表明污水的排入、植物的存在利于基质微生物的生存和功能发挥。相对于仅有自来水处理的湿地系统，污水排入使得基质中微生物生物量碳、各种脂肪酸的含量、酶活性(纤维素酶除外)增大，但代谢系数、特征脂肪酸比值，如G+/G-和Fungi/bacterial在自来水处理系统中较高。一般来讲，随着基质深度的增加，微生物生物量碳减少，酶活性降低，脂肪酸总量也相应下降。 6.典型相关分析和Pearson相关分析都表明了微生物群落的总体变化与酶活性呈显著性相关，证实了微生物群落结构与功能之间是密不可分的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1人工湿地的研究现状

1.1人工湿地的概念

1.2人工湿地的类型及净化机理

1.3人工湿地中植物的作用及筛选

1.4红树林湿地在净化污水方面的研究现状

2土壤微生物多样性研究进展

2.1土壤微生物群落结构多样性测定方法概述

2.2土壤微生物功能多样性研究进展

2.3人工湿地微生物多样性的研究进展

3本论文的研究内容和意义

3.1本论文的选题意义

3.2本论文的研究内容

第二章红树林人工湿地中试系统的构造及运行效果研究

1.引言

2.材料与方法

2.1红树林人工湿地中试系统的构建及自然条件

2.2水质理化指标的测定

2.3湿地植物的生长情况

2.4数据处理与分析

3.结果与分析

3.1红树林人工湿地进出水的理化性质

3.2红树林人工湿地对有机物的去除效果

3.3红树林人工湿地对营养盐的去除效果

3.4红树林人工湿地对肠道菌的去除效果

3.5湿地带中植物的生长状况

3.6人工湿地废水净化效率与植物高度和覆盖率的相关性

4.讨论

5.结语

第三章红树林人工湿地中试系统基质微生物多样性的水平梯度分布特征

1.引言

2.材料与方法

2.1取样方法

2.2基质理化性质分析

2.3微生物生物量碳及活性分析

2.4基质酶活性分析

2.5基质微生物群落PLFA分析

3.结果与分析

3.1基质理化性质

3.2微生物生物量碳及活性分析

3.3人工湿地基质酶活性分析

3.4基质微生物群落结构分析

4.讨论

5.结语

第四章红树林人工湿地小试系统基质微生物多样性的垂直梯度分布特征

1.引言

2.材料与方法

2.1实验设计

2.2取样方法与实验分析

3.结果与分析

3.1基质理化性质

3.2微生物生物量碳及活性分析

3.3微生物群落结构的垂直分布特征

3.4基质酶活性的垂直分布特征

4.讨论

5.结语

第五章结论与展望

1.本研究的主要结论

2.本研究的创新点：

3.本研究的不足之处及展望

参考文献

附录Ⅰ博士期间已发表的相关论文

致谢