镇江市古运河河岸沉积物氨氧化微生物的生态分布及其硝化作用研究

摘要

河岸带生态环境破坏在我国许多城市相当普遍。城市河流河岸带往往受到生活污水，工业废水，生活垃圾，居民游玩活动以及地表径流等多重影响，导致河岸带生态环境受到严重破坏。因此，修复退化的河道沿岸生态系统刻不容缓。氨氧化细菌、氨氧化古菌以及厌氧氨氧化细菌三大原核生物驱动的氨氧化作为硝化反应的第一步及限速步骤，在氮素去除中具有非常重要的作用。因此成为当前氮素生物地球化学循环方面的热点问题。本论文以镇江市古运河河岸表层沉积物为研究对象，通过分子生态学方法，探讨城市内河河岸沉积物中氨氧化微生物的群落结构、生物多样性等生态分布规律，并研究沉积物硝化作用强度及其影响因子，以期为城市河道河岸带沉积物氮素的生态控制提供基础数据和理论依据。主要研究结果如下:
　　(1)古运河河岸沉积物理化因子空间差异显著。总氮(TN)含量介于0.39-2.40 g/kg之间，G1，G2，G3，G4，G5采样点沉积物的总氮含量相差不大，G6采样点沉积物中的总氮含量要明显高于其他采样点;G1，G3，G5，G6采样点沉积物的有机质含量比其他2个采样点高;硝态氮(NO3--N)的空间分布特征为G2＞G1＞G5＞G6＞G4＞G3;亚硝态氮(NO2--N)含量最大值出现在G6采样点，最小值则出现在G4采样点。总磷(TP)含量介于1.71-7.46 g/kg之间，最高值出现在G5采样点，最低值出现在G3采样点;沉积物有机磷(OP)空间分布特征为G6＞G1＞G5＞G3＞G2＞G4;铁/铝磷(Fe/Al-P)含量和钙磷(Ca-P)含量相差不大，其空间分布特征分别为G6＞G5＞G3＞G2＞G4＞G1，G5＞G1＞G4＞G6＞G3＞G2。6种重金属的空间分布特征各不相同，Cr、Zn最大值均出现在G5采样点，Cu、As峰值出现在G2采样点，Pb和Cd峰值则出现在G1采样点。各采样点理化参数的差异主要受外源污染的影响。
　　(2)古运河河岸沉积物氨氧化微生物丰富度，多样性和群落结构具有显著的空间差异。AOA amoA基因的丰度表现为:G6＞G5＞G4＞G1＞G3＞G2; G2点的Shannon和Chao最高，分别为2.56和38.00，而G1点的最低，其值分别为1.33和5.50，表明G2点AOA多样性指数最高，G1点AOA多样性指数最低;古运河河岸沉积物中AOA群落主要为Nitrososphae，Nitrosotalea以及Nitrosopumilus相似物种，且G2和G4采样点的AOA群落结构比其他采样点更为复杂;TN，pH、NH4+-N以及As是影响古运河河岸沉积物AOA生态分布的关键环境因子。AOB amoA基因的丰富度在G1，G2，G5，G6采样点沉积物中的差异不大，但明显高于G3和G4样品的AOB丰富度;古运河河岸沉积物中的AOB amoA基因的多样性和群落结构在空间分布上有一定的差异性;检测到的AOB群落与Nitrosomonas物种和Nitrosospira物种有较近的亲缘关系。古运河沿岸沉积物的anammox细菌的丰富度在G6采样点最高，在G2采样点最低;anammox细菌群落多样性的空间变化并不明显;G4和G6采样点的anammox细菌群落结构没有其他采样点复杂;古运河河岸沉积物中很能同时存在Anammoxoglobus，Jettenia，Kuenenia和Brocadia属的anammox细菌群落。
　　(3)古运河河岸沉积物硝化作用的空间分布特征受多种环境因子的影响。沉积物硝化速率空间分布特征为:G2＞G1＞G5＞G6＞G4＞G3。沉积物硝化速率与AOB的丰度和Shannon指数都有显著地正相关性，而与AOA的丰度和多样性指数之间无显著相关性;添加Amp后，沉积物硝化速率明显下降，且二者差异显著（P＜0.01），表明当抑制AOB后，硝化速率受到了显著地影响，由此推断，AOB对硝化作用的贡献可能要大于AOA;此外，盐度，氨氮浓度，pH，温度对古运河河岸沉积物的硝化作用均有一定的影响。单因子试验结果表明，采样点沉积物中硝化作用最适应的盐度为1‰，氨氮浓度为50 mg/L，pH为7.5，温度为28℃。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 氨氧化微生物的研究现状

1．2．2 硝化作用及其影响因素的研究现状

1．3 研究目的

1．4 研究内容

1．5 技术路线

第二章 河岸沉积物理化因子的空间分布特征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 研究区域概况与样品采集

2．2．2 实验方法

2．2．3 实验主要仪器及试剂

2．3 结果与讨论

2．3．1 沉积物氮素的空间分布

2．3．2 沉积物有机质的变化特征分析

2．3．3 沉积物磷的空间分布特征

2．3．4 沉积物重金属的空间分布特征

2．3．5 沉积物各污染物的相关性分析

2．4 本章小结

第三章 河岸沉积物氨氧化微生物的生态分布特征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 研究区域概况与样品采集

3．2．2 实验方法

3．2．3 实验主要仪器和试剂

3．3 结果与讨论

3．3．1 沉积物氨氧化古菌(AOA)的群落分布特征

3．3．2 沉积物氨氧化细菌(AOB)的群落分布特征

3．3．3 沉积物厌氧氨氧化细菌(nammox bacteria)的群落分布特征

3．4 本章小结

第四章 河岸沉积物的硝化作用及其影响因素

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 研究区域概况与样品采集

4．2．2 古运河河岸沉积物硝化速率及其影响因子的试验设计

4．2．3 硝化速率的测定

4．2．4 数据处理分析

4．2．5 实验主要仪器和试剂

4．3 结果与讨论

4．3．1 古运河河岸沉积物硝化作用的空间分布特征

4．3．2 氨氧化微生物的种类和数量对沉积物硝化作用的影响

4．3．3 氨氮浓度对沉积物硝化作用的影响

4．3．4 pH对沉积物硝化作用的影响

4．3．5 温度对沉积物硝化作用的影响

4．3．6 盐度对沉积物硝化作用的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在校期间发表的学术论文及其他科研成果