闭矿条件下矿井水中微生物群落分布及菲的生物降解特性

摘要

废弃矿井停产关闭后，井下压力、通气条件发生改变，矿井微生态环境结构及功能也随之变化，进而影响污染物的迁移转化过程。煤炭开采期间遗留的机油、乳化剂中含有多环芳烃类有机污染物，具有三致性、生物蓄积性、难降解性等污染风险，为保障关闭矿井地下水的安全性，有必要研究关闭矿井地下水系统中微生物群落结构的变化规律，研讨多环芳烃的生物修复规律及可行性。
　　本文通过静态模拟实验，研究闭矿条件下矿井水中微生物群落分布特征及演化规律，从微观上探寻人类活动对矿井生态环境结构与功能的影响。从河流底泥中得到一株菲优势降解菌，探讨不同条件下其对菲的降解规律，探究不同闭矿条件下矿井水中菲的降解途径。主要研究内容如下：
　　（1）矿井水封闭模拟实验结果表明，封闭、半封闭条件下矿井水中可培养微生物以细菌为主，占比逐渐增大，真菌、放线菌占比逐渐减小。硫酸盐还原菌数量在封闭环境中不断增大，半封闭环境中不断减少。通过16S rDNA细菌多样性分析，样品中的优势细菌为芽孢杆菌（Bacillus）和乳球菌（Lactococcus）。随着时间变化，好氧菌逐渐衰亡，厌氧菌量逐渐增加。完全封闭条件下菌群多样性逐渐增加，而半封闭条件下菌群多样性不断波动。
　　（2）通过初筛、分离、纯化、复筛，从江苏省徐州市郊区某河流底泥中得到一株能够降解多环芳烃菲的优势降解菌J-2。经过培养观察、革兰氏染色、16S rDNA菌种鉴定等过程，确定属于微杆菌属，与Microbacterium sp. Atl-19同源性达到97％，15天内对菲的降解率达到46.97%。
　　（3）温度对降解菌 J-2降解菲的效果影响明显，30℃时，菲降解效率最高，28天降解率达到52.85%。pH值在7~8范围内，菲降解效率较高，降解率可达53.94%。菲初始浓度与降解效率成负相关关系，浓度越小，降解效率越高。添加表面活性剂吐温-80对菲生物降解速率促进显著，提高近20%。开放条件下，菲高效降解菌J-2的降解效果最好，28天内开放、封闭、半封闭条件下菲的降解速率依次降低。另外，分析得到菲的降解产物有1-羟基-2-萘甲酸和邻苯二酚。
　　（4）不同环境条件下菲的生物降解均符合一级动力学模型。温度、pH值、菲初始浓度、不同闭矿条件对菲生物降解过程均有显著性影响。当吐温-80添加浓度大于0.1%时，吐温-80浓度对菲生物降解效率影响不显著。

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1 绪论

1.1研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2国内外研究现状（Research Actuality）

1.3研究内容及技术路线（Research Contents and Technical Route）

2 闭矿条件下矿井水中微生物群落分布特征

2.1实验材料(Experiment Materials)

2.2关闭矿井的情景设置与模拟(Situational Setupand Simulationof Closed Mine)

2.3模拟闭矿条件下矿井水的理化性质(Physical and Chemical Propertiesin Simulated Closed Mine Water)

2.4 模拟闭矿条件下矿井水中可培养微生物群落分布特征(Distribution Characteristics of Microbial Community in Mine Water of Simulated Closure)

2.5模拟闭矿条件下矿井水中细菌多样性分析(Bacterial Diversity AnalysisinMine Water of Simulated Closure)

2.6本章小结(Conclusion of This Chapter)

3 菲优势降解菌的筛选与鉴定

3.1实验材料(Experiment Materials)

3.2菲降解菌的初步筛选(Preliminary Screening of Phenanthrene Degrading Bacteria)

3.3菲降解菌的形态观察（Morphology Observation of Phenanthrene Degrading Bacteria）

3.4菲优势降解菌的复筛（Secondary Screening of An Advantage Degrading Bacteria）

3.5菲优势降解菌生长曲线（Growth Curve of the Advantage Phenanthrene Degrading Bacteria）

3.6菲优势降解菌16S rDNA序列分析及系统发育树构建（16S rDNA Sequences Analysis and Phylogenetic Tree of the Advantage Phenanthrene Degrading Bacteria）

3.7本章小结(Conclusion of This Chapter)

4 不同条件下菲的生物降解规律

4.1实验材料(Experiment Materials)

4.2菌悬液制备（Preparation Methods of Bacillus）

4.3温度对菲降解效率的影响（Effect of Temperature on the Degradation Efficiency of Phenanthrene）

4.4pH对菲降解效率的影响(Effect of pH on the Degradation Efficiency of Phenanthrene)

4.5菲初始浓度对降解效率的影响（Effect of Initial Concentration of Phenanthrene on the Degradation Efficiency of Phenanthrene）

4.6吐温-80浓度对菲降解效率的影响（Effect of Concentration of Tween-80 on the DegradationEfficiency of Phenanthrene）

4.7 不同闭矿条件下矿井水中菲的生物降解规律（ The Biodegradation of phenanthrene in Mine Water of Different Closure Levels）

4.8 不同闭矿条件下矿井水中菲降解中间产物及代谢过程（Phenanthrene Degradation Intermediates and Metabolic Processes in Mine Water of Different ClosureLevels）

4.9本章小结(Conclusion of This Chapter)

5不同条件下菲降解动力学

5.1不同温度条件下菲降解动力学（Phenanthrene Degradation Kinetics in different Temperature Levels）

5.2不同pH条件菲的降解动力学（Phenanthrene Degradation Kinetics in different pH Levels）

5.3不同菲初始浓度的降解动力学（Phenanthrene Degradation Kineticsin Different Initial Concentrations Levelsof Phenanthrene）

5.4 添加不同浓度吐温-80 时菲降解动力学（ Phenanthrene Degradation Kineticsin Different Concentration Levels of Tween-80）

5.5 不同闭矿条件下矿井水中菲生物降解动力学（Phenanthrene Degradation Kineticsin Different ClosureLevels）

5.6本章小结(Conclusion of This Chapter)

6 结论与展望

6.1 结论（Conclusions）

6.2 展望（Prospects）

6.3本实验研究中的不足及改进之处(The deficiency and improvement of the experimental study)

参考文献

作者简历

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