AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系对水中氮磷的去除效能研究

摘要

工农业生产的迅猛发展，使得大量含有氮、磷物质的污水超负荷的排入湖泊、水库等景观水体，加剧了水体氮磷污染的程度及范围，不但给经济带来了严重的损失，对人类的健康也造成了巨大的威胁，因而湖泊、水库等自然水体的氮磷污染问题已经成为全球范围水环境保护中的重大项目。本研究建立在大量研究报道关于丛枝菌根真菌（AMF）促进宿主植物吸收营养物质的基础上，将鸢尾联合AMF构建共生体系，考察不同生物净化体系（AMF-鸢尾共生系统、聚氨酯载体微生物体系及AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系）对不同浓度氮磷污水的去除效果，从环境微生物学角度出发探究不同生物处理体系对氮磷的去除机理，综合评价不同生物净化系统对污染水体去除效果最佳的氮磷浓度，为生物净化体系在实际工程中的应用提供有利的科学依据。
　　土培阶段分别对G. mosseae、G. intraradices联合鸢尾构建AMF-鸢尾共生系统，考察不同AMF对鸢尾生长的促生作用。结果表明：AMF与鸢尾构建的菌根复合体可以形成互惠互利的共生关系，不同AMF分别从地上、地下方向促进鸢尾生长，其中G. mosseae对鸢尾地上部分的生长促进作用更明显，且改善了鸢尾对营养胁迫状态的抗逆性能及对外界环境侵害的抗性。而G. intraradices对鸢尾的促生作用主要是显著增强了鸢尾的总根长、比表面积、根体积和平均直径等地下根系形态指标。由于应用植物修复技术净化水体主要借助的是根系的过滤功能及其发达的根系可以为微生物提供良好的栖息场所，因而选取G. intraradices与鸢尾构建的共生体系用于水体净化。
　　AMF—鸢尾共生体系可有效缓解不同浓度的氮磷污染问题且去除效果稳定，对于总氮的去除效果随水中总氮含量的增加而升高，其中 TN为40mg/L的高浓度污水在AMF-鸢尾共生体系投入第25天时 TN、NH4+-N、NO3--N的去除率分别达到97.6％、96.7%和98.7%。利用Illumina MiSeq技术对微生物群落结构进行监测，结果表明：AMF-鸢尾共生体系净化水体除了依靠根系的吸附性能外，重要的是其根系附集着大量的具有脱氮功效的优势菌群，如厌氧反硝化细菌 Comamonadaceae unclassified、异养硝化好氧反硝化细菌Acidovorax、硝化细菌Rhodanobacter。而AMF-鸢尾共生体系对于氮磷污水总磷的去除率则是随总磷含量的增加而降低，其中对于TP为0.4mg/L的低浓度污水在投入AMF-鸢尾共生体系25天时TP的去除效能达到80.5%，同时AMF-鸢尾共生体系根系附集着大量的好氧反硝化聚磷菌 Dechloromonas、聚磷菌Thermomonas等除磷功效的优势菌群。
　　聚氨酯载体微生物体系对水中氮磷的去除率与氮磷浓度成正比，当其投入污水4天后达到最佳的处理效果，随后水中氮磷浓度会发生反弹。聚氨酯载体微生物体系对TN、TP浓度分别为40mg/L和8mg/L的高浓度污水去除效能最高TN、NH4+-N、NO3--N、TP去除率分别达91.2%、95.6%、98.3%、72.5%。因而聚氨酯载体微生物体系适用于净化周期短且溶解氧充裕的高浓度氮磷水体。从微生物形态学及生理学的角度可以看出聚氨酯载体内部及表层可以为微生物提供好氧及厌氧分区，其内部多为球状及短杆状细菌，而表面多为长杆及丝状菌；从微生物异化作用类型上划分聚氨酯载体内部的优势菌群大多为厌氧及兼性细菌为主，优势细菌为Comamonadaceae unclassified；而附着在聚氨酯表层的优势菌群则主要为好氧、厌氧及兼性细菌，优势菌群主要有：Comamonadaceae unclassified、Acidovorax、Dechloromonas。
　　AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系的构建有效提高了AMF-鸢尾共生体系的光合作用、吸收利用硝酸盐能力、适应环境能力及对细胞膜结构的保护作用。生物净化体系适用于处理氮磷污染不严重的景观等自然水体的生态修复，极大程度的缩短了处理时间。其中5mg/L和1mg/L为 AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系处理水体TN、TP的临界浓度，在此浓度范围内，随着净化时间的延长，水中氮磷的去除效能在8天达到稳定状态，其中生物净化体系对TN为2mg/L，TP为0.4mg/L的低浓度水体TP、TN、NH4+-N、NO3--N的去除效能最高可分别达到99%、92.9%、92.6%、96.2%，且出水氮磷浓度降至富营养化限值以下。通过 Illumina MiSeq测序技术检测系统内部的优势菌群多为脱氮、除磷功效的菌群，证明 AMF—鸢尾共生体系联合聚氨酯载体构建的生物净化体系内部存在强烈的氨化作用、硝化-反硝化作用、短程硝化过程、同步脱氮除磷过程。其中优势菌群主要有Rhodopseudomonas、Comamonadaceae unclassified、Enterobacter。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2植物修复技术及发展概况

1.3菌根技术及发展概况

1.4微生物固定化技术及发展概况

1.5植物和微生物联合修复技术发展概述

1.6现代分子生态技术在微生物群落分析中的应用

1.7课题来源、研究目的及意义

1.8主要研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2试验设计

2.3 分析项目及检测分析方法

2.4分析与统计方法

2.5 微生物群落结构及形态分析

2.6 数据分析

2.7 高通量测序微生物群落结构分析

2.8 Illumina Miseq测序的生物信息学分析

第3章 AMF-鸢尾共生体系的构建及其对水中氮磷的去除效能

3.1 引言

3.2 AMF-鸢尾共生体系的构建

3.3 AMF对鸢尾生理指标的影响

3.4 AMF-鸢尾共生体系根际微生物多样性

3.5 AMF-鸢尾共生体系对水中氮磷的去除

3.6 AMF-鸢尾共生体系群落结构解析

3.7 本章小结

第4章 聚氨酯载体微生物体系的构建及其对水中氮磷的去除效能

4.1 引言

4.2 聚氨酯载体结构及挂膜性能

4.3 聚氨酯载体微生物体系对水中氮磷的去除

4.4聚氨酯载体微生物体系群落结构解析

4.5 本章小结

第5章AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系对水中氮磷的去除效能

5.1 引言

5.2 AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系的稳定性

5.3 AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系对水中氮磷的去除

5.4 AMF-鸢尾-聚氨酯载体生物净化体系群落结构解析

5.5 本章小结

结论

创新点

展望与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历