不同植物和滤料组合构建人工湿地模型的净水效果比较

摘要

为了研究不同植物和基质组合的小型湿地模型的净水效果，不同模型中基质酶活性的差异和不同模型中根系微生物的多样性，并选出净水效果最佳的模型，本文通过对两种植物（茭白和慈姑）和两种基质（石榴石和磁铁矿）进行组合构建不同的湿地模型，对不同湿地模型进出水口水质、基质酶活性和根系微生物多样性进行测定并加以分析。主要研究结果如下: 通过对净水效果和基质酶活性的测定以及两者之间相关性的分析得出，湿地模型对亚硝态氮的去除率最高，最高能达到98.87％，最低也能达到58.06％，对高锰酸盐的去除率最低，最高37.91％，最低2.51％;随着湿地的运行，对于总氮、铵态氮、亚硝态氮和正磷酸盐的去除率总体呈现“低-高-低”的趋势，对于总磷和高锰酸盐的去除率随着运行则逐渐降低;湿地模型X5-X6对各污染物的去除率基本上都比X1-X4高，总氮去除率平均高2.08％，氨氮去除率平均高10.47％，亚硝态氮去除率平均高7.13％，总磷去除率平均高13.04％，正磷酸盐去除率平均高19.52％，高锰酸盐去除率平均高6.44％;在相同种植数量的情况下，茭白和慈姑混合种植的湿地模型总体上比茭白和慈姑单一种植的湿地模型具有更好的净水效果，是本次实验中的最佳湿地模型;在整个试验期间，各湿地模型的脲酶活性整体呈现“低-高-低”的趋势，同一采样时间各湿地模型脲酶活性没有显著差异，9月8号各湿地模型脲酶活性最高，平均为0.240mg(NH3-N)/(24h·1g);各湿地模型的磷酸酶活性整体呈现“低-高-低”的趋势，同一采样时间，湿地模型X5-X6的磷酸酶活性总体上大于X1-X4，8月28号各湿地模型磷酸酶活性最高，与9月8号的磷酸酶活性平均相差0.3mg(C6H6O)/(24h·1g)，并且实验后期磷酸酶活性属于急速下降状态;湿地模型的脲酶活性与总氮去除率具有显著的相关性（相关系数为0.903-0.980），脲酶可作为判定人工湿地去除养殖水体中总氮效能的指标，湿地模型磷酸酶活性与高锰酸盐去除率总体上具有显著相关性（相关系数为0.821-0.992），磷酸酶可作为判定人工湿地去除养殖水体中高锰酸盐效能的指标。 利用高通量测序技术对各湿地模型的根系微生物多样性的分析得出，不同湿地模型根系微生物的种类和数量各不相同;所有收集的微生物总体上属于52个门，118个纲，455科，905个属和1426个种;根据Shannon指数，在整个试验期间，湿地模型X2在9月18号的根系样品微生物多样性最高(Shannon指数为6.37)，湿地模型X1在8月18号的根系样品微生物多样性最低（Shannon指数为4.22），不同湿地根系微生物的Shannon指数值在不同采样时间具有一定差异性，在整个研究过程中，湿地模型No.2和No.4的Shannon指数平均数值最高（分别为5.72和5.81），No.1和No.3的Shannon指数平均数值最低（分别为5.23和5.35）;茭白(Shannon指数平均为5.77)比慈姑（Shannon指数平均为5.29）在微生物富集方面具有更强的能力;在整个试验期间，各湿地模型根系微生物中比例较高的是变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)，而较少的物种属于热袍菌门(Thermotogae)，RsaHF231和SM2F11;其中，变形菌门(Proteobacteria)在每一个样品中所占的比例最大，最低能达到43.53％，最高达70.45％，拟杆菌门(Bacteroidetes)在所有样品中所占的比例范围是10.84％-36.01％;另外，在每个样品的所有的微生物物种中，β-变形菌(β-Proteobacteria)所占的比例最大，湿地模型X1和X3中β-变形菌(β-Proteobacteria)的比例在所有湿地模型中最高，湿地模型X2和X4中β-变形菌(β-Proteobacteria)的比例在所有湿地模型中最低，湿地模型X5和X6中β-变形菌(β-Proteobacteria)的比例基本相等并处于前两者之间，但是，慈姑和茭白根系微生物中变形菌门的比例分别平均为61.97％和51.78％，说明慈姑能够更好地富集变形菌;在每次采样的根系样品中，模型X1和X3根系微生物多样性高度相似，而X2和X4高度相似，X5和X6高度相似，并且X1、X4和X6在每次采样中根系微生物多样性具有很大的差异，而X2、X3和X5在每次采样中也具有类似的结果，说明基质比植物对根系微生物多样性的影响较小。β-变形菌纲为试验期间不同植物根际富集的主要细菌类群。 本研究结果为人工湿地植物和基质优化选择，基质酶活性评价净水效果和根系微生物群落结构提供了理论依据和湿地组合优化构建提供了研究基础。

目录

声明

摘要

绪论

第一章文献综述

1人工湿地植物和基质

1．1人工湿地简介

1．2人工湿地植物

1．3人工湿地基质

1．4人工湿地微生物多样性

2高通量测序技术特征及应用

2．1高通量测序技术的原理

2．2高通量测序技术的优缺点

2．3高通量测序技术在人工湿地微生物中的研究应用

3本课题的研究内容及意义

4课题的技术路线

第二章不同湿地模型基质酶活性与净水效果之间的相关性

1材料与方法

1．1实验所需器材

1．2实验试剂

1．3实验设计

1．4样品采集

1．5样品测定方法

1．6数据分析

2．1各湿地模型的净水效果

2．2脲酶和磷酸酶活性

2．3污染物去除率与酶活性的相关性

3讨论

3．1各湿地模型水质净化的比较分析

3．2湿地模型中脲酶和磷酸酶活性变化分析

3．3湿地模型的污染物去除率与酶活性的相关性比较分析

第三章不同湿地模型的根系微生物群落结构及其对水质净化的作用

1．1实验设计

1．2样品采集

1．3根系微生物DNA的提取

1．4 PCR扩增及产物定量和均一化

1．5 PE(Pair-end)文库构建及高通量测序

2结果

2．1各采集样品的微生物多样性

2．2样品间的差异性

3讨论

3．1湿地模型总体微生物群落结构特征

3．2微生物多样性对水质净化的作用

全文总结

参考文献

致谢

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