水生植物及根际微生物对富营养化水体中氮磷的净化作用研究

摘要

随着工业和农业的飞速发展，过量的营养盐流入水生态系统中。如何修复富营养化的水体，恢复天然水功能效应，成为当前的热点问题。生物治理方法因经济、美观等特点，具有较强的实用性而受到广泛关注。水生植物起到了重要的作用，它不仅能吸收营养物质、调节水体环境，还能为微生物等提供适宜的生存空间，促使营养物质通过其他方式被进一步去除。 本文以西安浐灞生态区内两处不同富营养化类型的水体为背景，分析了根际微生物的数量分布及群落结构的多样性与水质指标的关系。探讨不同季节水生植物对氮、磷元素去除效率及根际微生物对去除效率的影响，并计算夏季与冬季植物作用与微生物作用对水体中氮磷去除的贡献。通过本研究得到以下重要结论： (1)两个水体中生长的喜旱莲子草根际微生物共有的门类为酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、装甲菌门(Armatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、广古菌门(euryarchaeota)、变形杆菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)；优势种群均为变形杆菌门(Proteobacteria)。不同季节共有种群和优势种群的构成差异不明显，但是其丰度在季节上有所差异。其特有种群在不同季节有所差异。2号水体中生长的喜早莲子草其根际微生物种类较1号水体更为丰富，但1号水体根际微生物的数量比2号水体多。在季节上，秋季微生物的数量和种群较夏季更丰富。 (2)不同季节四种植物对氮元素的去除效果有很大差异，夏季水葫芦对氮元素的去除效果最好，秋季伊乐藻和黄菖蒲对氮元素的去除效果最好，冬季伊乐藻对氮元素的去除效果最好。喜旱莲子草和水葫芦在夏季对总磷的去除效果最好，而伊乐藻和黄菖蒲在秋季对总磷的去除效果最好，但总磷在不同季节之间处理效果差异不如总氮明显。 (3)亚硝化细菌和反硝化细菌的数量特征为秋季＞夏季＞冬季，磷细菌的数量随着温度的降低而减少。夏季植物根区亚硝化细菌数量与总氮去除率呈显著正相关(p＜0.05)，秋季植物根区的亚硝化细菌与总氮去除率呈极显著的正相关(p＜0.01)，根区的反硝化细菌与硝氮去除率呈极显著正相关的关系(p＜0.01)和总氮去除率呈显著的相关性(p＜0.05)，冬季根区的反硝化细菌与总氮的去除率呈显著的正相关关系(p＜0.05)。 (4)夏季喜旱莲子草根际微生物群落结构在净化水体的过程中，优势种群由蓝细菌门(Cyanobacteria)变为变形菌门(Proteobacteria)。随着实验的进行，蓝细菌门(Cyanobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)所占比例逐渐减少，变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的比例逐渐增加。微生物群落的多样性也在增加。 (5)夏季与冬季水生植物对氮、磷的去除机理有所差别，夏季主要是植物本身的贡献，而冬季依赖于微生物作用。不同植物间由于其本身的特性，各个部分的贡献率也有差别。水生植物一微生物系统对总氮、总磷的去除率与主要影响因素之间有一定的规律，这种规律可以利用回归分析理论建立数学模型。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 水体富营养化的现状

1.1.2 水体富营养化的危害

1.1.3 水体富营养化的修复措施

1.2 水生植物及根际微生物对修复富营养化水体的研究现状

1.2.1 水生植物对修复富营养化水体的研究现状

1.2.2 水生植物根际微生物的研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 实验材料和方法

2.1 实验方法

2.1.1 水体理化因子的测定与分析

2.1.2 水质评价方法

2.1.3 微生物数量和多样性的测定方法

2.1.4 植物体内氮磷含量的测定方法

2.2 实验设计

2.2.1 浐灞水生植物根际微生物群落特征调查研究

2.2.2 水生植物及根际微生物净化水中氮磷的效果和影响实验

2.2.3 水生植物净化富营养化水体中氮磷机理实验

2.3 数据处理

1. 利用Chao指数来评价根际微生物种群总数

2. 水体中营养元素去除率的计算方法

3 浐灞水体动态指标与水生植物根际微生物群落特征

3.1 前言

3.2 结果与分析

3.2.1 研究区域水体动态指标与评价

3.2.2 根际微生物数量特征

3.2.3 根际微生物群落结构特征

3.2.4 根际微生物多样性与环境因子的相关性

3.3 本章小结

4 水生植物净化富营养化水体效果研究

4.1 前言

4.2 结果与分析

4.2.1 水生植物在实验期间的生长状况

4.2.2 水生植物对总氮的去除效果

4.2.3 水生植物对氨氮的去除效果

4.2.4 水生植物对硝氮的去除效果

4.2.5 水生植物对总磷的去除效果

4.2.6 水生植物总生物量与净化效果的关系

4.3 本章小结

5 水生植物根际微生物与氮磷去除效果影响研究

5.1 前言

5.2 结果与分析

5.2.1 水生植物根际亚硝化细菌的数量分布

5.2.2 水生植物根际反硝化细菌的数量分布

5.2.3 水生植物根际磷细菌的数量分布

5.2.4 水生植物根际微生物与净化效果的关系

5.2.5 水生植物根际微生物群落结构在净化水体过程中的变化

5.3 本章小结

6 水生植物净化氮磷机理的初步探究

6.1 前言

6.2 结果与分析

6.2.1 微生物作用

6.2.2 植物存储作用

6.2.3 植物代谢作用

6.2.4 夏季水生植物净化氮磷机理

6.2.5 冬季水生植物净化氮磷机理

6.2.6 总氮、总磷去除率与主要影响因素的回归模型

6.3 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果