离子束改良生物修复富营养化水体的效果及机理研究

摘要

水体富营养化是全世界所共同面临的水环境问题，而湖泊水体富营养化的治理更是水污染治理中一个全球性的难题。本文从污染湖泊水体的生物治理与资源化利用的角度出发，以巢湖富营养化水体为主要修复对象，利用离子束生物工程品种改良技术，建立完整系统的基于离子束改良生物(植物与微生物)修复的水环境修复技术体系。分别开展了离子束改良植物(水蕹菜与黑麦草)生物修复富营养化水体的效果与机理研究，离子束改良微生物(光合细菌、聚磷菌)生物修复富营养化水体的实验及其资源化利用等研究工作。主要研究内容及结果如下:
　　 ㈠在离子束改良植物修复方面的研究结果显示，不同能量剂量的N+离子注入对浮床植物水蕹菜及黑麦草的生长及其净水能力有着不同程度的影响，适当能量及剂量的N+离子注入浮床植物水蕹菜及黑麦草存在明显的当代生长刺激效应，可以有效提高水蕹菜及黑麦草的生长及其净水能力，并从形态与生理水平对其机理进行了初步的探讨。初步试验的结果表明：利用离子束改良浮床植物修复富营养化水体是可行而有效的。⑴低能离子注入水生浮床植物水蕹菜及黑麦草具有明显的“当代生长刺激”生物学诱变效应。对水蕹菜干种子注入能量剂量分别为25keV3.9×1016ions/cm2、20keV5.2×1016ions/cm2、30keV2.6×1016ions/cm2 N+注入处理对水蕹菜幼苗的生长特征参数等均有明显的当代刺激效应。对黑麦草干种子注入能量剂量分别为25keV5.2×1016ions/cm2、20keV5.2×1016ions/cm2、30keV4.16×1016ions/cm2 N+注入处理对黑麦草幼苗的生长特征参数等均有明显的当代刺激效应。该参数可以作为富营养化水体浮床植物修复发挥离子束注入当代效应的N+辐照能量剂量的参考参数。⑵浮床栽培种植试验表明，经合适能量及剂量N+离子束注入处理的浮床植物水蕹菜与黑麦草与未进行离子束处理的对照相比，在富营养化水体中生长的更好，对富营养化水体中氮、磷等污染物有着较好的去除效果。在注入能量剂量为25keV3.9×1016ions/cm2的N+注入处理水蕹菜对富营养化水体中N、P营养物质的去除为最好，对TN、TP的去除率、净去除率分别高达86.96％、76.96％和88.55％、84.55％，而未经离子束处理的水蕹菜对照对TN、TP的去除率、净去除率分别为81.30％、71.30％和82.91％、78.91％。对黑麦草注入能量剂量为25keV5.2×1016ions/cm2的N+注入处理对富营养化水体中N、P营养物质的去除为最好，对TN、TP的去除率、净去除率分别高达88.70％、78.70％和91.64％、87.64％，而未经离子束处理的黑麦草对照对TN、TP的去除率、净去除率分别为82.39％、72.39％和85.09％、81.09％。其初步机理研究显示，水蕹菜与黑麦草浮床栽培于富营养化污水中，对N、P营养盐等污染物的净化，主要是植物通过在其生长过程中需要吸收利用N、P的生理功能来达到去除水体中过多营养物质的目的，还有部分原因是植物通过调节根系的POD(过氧化物酶)、NR(硝酸还原酶)和ACP(酸性磷酸酶)活性的变化来适应水污染环境的胁迫，促进N、P营养盐等污染物的净化。在本试验中，三种能量剂量离子束处理水蕹菜与黑麦草浮床栽培于富营养化污水中，对N、P营养盐等污染物的净化，相比较于对照能够更有效地通过调节根系的POD、NR和ACP活性的变化来适应污染水环境的胁迫，有效地促进了N、P营养盐等污染物的净化。在富营养化污水试验中，NR和ACP活性的变化与污水中TN和TP变化趋势基本一致。
　　 ㈡在离子束改良微生物生物修复研究方面，探索了不同剂量低能N+离子注入资源微生物聚磷菌与光合细菌的生物学效应及其修复富营养化水体的效果与资源化利用研究。在离子束改良微生物修复方面的研究结果表明：⑴通过N+注入反复诱变，获得两株聚磷效果最好的假单胞菌Pseudomonas.sp突变菌株K1菌与K2菌，其在含2mg/L的磷培养液中好氧培养48h后对磷的去除率分别为92.9％、98.20％，而出发菌株G菌仅为65.10％。⑵经过反复离子注入诱变选育，筛选到2株高效固氮除磷沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonaspalustris突变株PSB391与PSB698，其对富营养化污水中氮、磷最高去除率分别达到76.4％、65.3％，77.7％、64.1％；同时筛选到1株高效固氮除磷产氢R.palustris突变株PSB297，其最高产氢能力比出发菌株提高15％，可连续产氢约40mi/L.h，对富营养化污水中氮、磷去除率分别达到78.1％、62.9％。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1水体富营养化现状及危害

1.1.1水体富营养化概念及现状

1.1.2水体富营养化形成过程

1.1.3水体富营养化原因

1.1.4水体富营养化的危害

1.2富营养化水体修复技术

1.2.1富营养化水体修复技术概述

1.2.2富营养化水体生物修复技术

1.3生物浮床技术及其在富营养化水环境修复中的应用

1.3.1生物浮床技术的原理

1.3.2生物浮床技术国内外研究动态

1.3.3生物浮床技术的基本特点

1.3.4生物浮床技术在富营养化水环境修复中的应用工程示范和治理效果

1.3.5生物浮床技术在富营养化水环境修复中的应用前景

1.4离子束生物工程技术及其在水污染治理中的应用

1.4.1离子束生物工程学理论与实践应用研究简介

1.4.2离子束生物工程技术及其在水污染治理中的应用前景

1.5论文研究的目的意义及主要内容

第二章低能离子注入水生浮床植物生物学诱变效应研究

2.1引言

2.2实验材料

2.2.1水生浮床植物材料水蕹菜

2.2.2水生浮床植物材料黑麦草

2.3实验方法

2.3.1N+离子束辐照处理植物材料方法

2.3.2水蕹菜与黑麦草种子萌发催芽方法

2.3.3水蕹菜与黑麦草幼苗培育方法

2.3.4浮床植物苗期生长特性的观测

2.3.5统计学分析

2.4结果与分析

2.4.1N+注入对水蕹菜种子萌发和苗期生长的生物学效应

2.4.2N+注入对黑麦草种子萌发和苗期生长的生物学效应

2.5讨论

2.6小结

第三章离子束改良浮床植物修复富营养化水体的效果与机理研究

3.1引言

3.2实验材料

3.2.1植物材料

3.2.2浮床材料

3.3实验方法

3.3.1水蕹菜与黑麦草幼苗移栽方法

3.3.2培养用富营养化污水来源

3.3.3浮床植物净化水体试验设计

3.3.4测定分析项目及方法

3.3.5统计学分析

3.4结果与分析

3.4.1离子束改良水蕹菜修复富营养化水体的效果及机理

3.4.2离子束改良黑麦草修复富营养化水体的效果及机理

3.5讨论

3.6小结

第四章离子注入选育高效聚磷菌及其对水体中磷的去除研究

4.1引言

4.2实验材料

4.2.1原始菌株

4.2.2突变菌株

4.3实验方法

4.3.1聚磷菌的分离与培养

4.3.2聚磷菌除磷能力的测定

4.3.3聚磷菌的鉴定

4.3.4聚磷茵的离子束注入诱变选育

4.3.5聚磷菌除磷的动力学

4.3.6聚磷菌的最大吸收波长扫描图谱

4.3.7水体中磷的去除模拟试验

4.4结果与分析

4.4.1采样底泥的驯化

4.4.2聚磷菌的分离筛选

4.4.3聚磷菌的鉴定

4.4.4聚磷菌的N+离子束注入诱变选育

4.4.5聚磷菌的时间生长曲线

4.4.6pH对聚磷菌生长的影响

4.4.7聚磷菌的温度生长曲线

4.4.8不同接菌量对聚磷菌除磷率的影响

4.4.9不同厌氧时间对聚磷菌释磷能力的影响

4.4.10不同好氧时间对聚磷菌除磷率的影响

4.4.11好氧条件下聚磷菌的除磷率

4.4.12先厌氧后好氧培养条件下聚磷菌的除磷率

4.4.13聚磷菌的除磷动力学

4.4.14水体中磷的去除模拟试验

4.5讨论

4.6小结

第五章光合细菌利用富营养化污水耦联产氢技术研究

5.1引言

5.2实验材料

5.2.1光合细菌原始菌种来源

5.2.2光合细菌突变菌种

5.3实验方法

5.3.1光合细菌菌株的分离与筛选及鉴定

5.3.2光合细菌Rhodopseudomonaspalustris菌株的培养

5.3.3光合细菌Rhodopseudomonaspalustris菌株的纯化

5.3.4培养光合细菌的污水来源

5.3.5低能离子注入光合细菌诱变筛选技术

5.3.6光合细菌的固定化

5.3.7光合细菌对污水中氮磷去除能力的测定

5.3.8光合细菌产氢量的测定

5.4结果与分析

5.4.1光合细菌的分离

5.4.2光合细菌的鉴定

5.4.3高效固氮除磷产氢离子注入光合细菌诱变筛选工艺路线

5.4.4离子注入光合细菌诱变筛选方法体系的建立

5.4.5高效固氮除磷产氢光合细菌的离子注入诱变选育及稳定

5.5讨论与小结

第六章总结

6.1关于离子注入水生浮床植物诱变生物学效应

6.2关于离子束改良浮床植物修复富营养化水体效果及机理

6.3关于离子注入选育高效聚磷菌及其对水体中磷的去除

6.4关于光合细菌利用富营养化污水耦联产氢技术研究

参考文献

附录03年以来作者撰写的论文与会议报告目录

致谢