老港垃圾填埋场地下水系统的污染物和微生物群落研究

摘要

上海老港垃圾填埋场位于滨海地区，其地下水系统受到海水和垃圾渗沥液的共同影响，属于特殊的地球化学环境。 本论文深入研究了老港填埋场地下水系统受海水和垃圾渗沥液的影响、地下水的总DNA提取方法、微生物多样性和典型群落结构、以及分子生物学方法在监测地下水氧化还原环境方面的潜力。研究结果丰富了污染生态学和微生物生态学知识，为微生物资源开发和分子监测生物自修复进程提供了必需的知识基础和理论指导。主要研究内容和结论如下： i.海水对老港填埋场地下水的影响 以Cl-、矿化度和硬度作为评价因子，研究了海水对该地区地下水的影响。结果表明：该地区地下水绝大部分属Cl--Na+型、咸水和极硬水；地下水越深，海水混入比例越大，但地下水距海岸线远近与海水影响程度的相关性不明显；历年地下水监测数据表明此处无海水入侵态势或洗盐淡化趋势；此外，降水、潮汐等因素会引起地下水Cl-含量、矿化度和硬度的波动，这些都反映了海水的影响。 ii.垃圾渗沥液对该地区地下水的污染 为评价由垃圾渗沥液导致的地下水污染，提出了新方法来屏蔽海水影响。选择参数CODMn、NH4+-N、Cd、Cr6+、Pb、Cu、Ni和As作为评价因子，通过历年地下水质分析，结果表明：地下水明显受垃圾渗沥液污染，主要污染成份是NH4+-N、CODMn、Pb和Cd。总体污染正在加重，其中：NH4+-N、CODMn和Cu污染程度基本稳定，而重金属累积明显，Pb和Cd污染尤其严重。污染物的空间分布存在显著差异：CODMn、Pb、Cu和Ni存在深度蓄积效应(越深处蓄积的污染物越多)，而NH4+-N和As没有这种现象；Pb、Cu、Ni、Cr6+和Cd与污染源越远含量越低，NH4+-N、CODMn和As则不明显。 iii.地下水总DNA提取方法 总DNA提取质量决定后继操作能否对微生物进行准确分析，因此论文专门对地下水总DNA提取的最优方法进行了研究。从文献选用5种适合方法加上实验室常规方法，同步进行地下水总DNA提取，从DNA产率、纯度、片段大小、抑制物及多样性角度比较DNA提取质量。综合比较后，产率最高且其它各项指标均较好的Keller改进方法被推荐采用。此方法简单快速，可满足地下水分子生态学研究的需要。 iv.地下水微生物多样性和典型群落结构 从两种尺度对该地区的地下水微生物群落进行了研究：1、宏观尺度：用RISA图谱概览分析技术，调查地下水微生物群落的总体空间差异和时间变化；2、微观尺度：聚焦典型地下水样，通过克隆和测序技术，利用GenBank数据库和生物学软件进行系统发育分析，深入分析其中的微生物群落结构和多样性。 结果显示：在宏观尺度，该地区的地下水微生物群落具有明显的空间异质性，同一空间点的微生物群落则具有一定的时间稳定性，相比而言，微生物群落的空间差异要大于时间变化。在受垃圾渗沥液和海水共同影响的典型地下水样中，绝大多数微生物来自细菌域，也发现少量古细菌和真核域微生物存在；属于细菌域的系统发育类群(括号表示丰度)：Bacteroidetes(20.3﹪)，β、γ、δ和ε-Proteobacteria(47.3、6.8、5.4和2.7﹪)，Firmicutes(1.4﹪)，Actinobacteria(2.7﹪)，Cyanobacteria(2.7﹪)；大部分16SrRNA序列代表过去从未描述过的微生物，其中许多与海水或高盐环境微生物具有高同源性，也有较多与厌氧发酵菌同源，还有一组序列与氯酸盐还原菌(ClRB)同源，丰度较高(20.3﹪)。 v.评估分子方法用于判别地下水氧化还原环境的潜力 氧化还原环境不仅影响污染物降解的程度和速率，而且影响金属元素的价态和溶解性，与污染物的转化和迁移具有极为密切的关系。对其类型进行判别，是评估污染蔓延趋势、预测生物自修复潜力和选择修复方法的先决条件。 为评估分子方法用于判别氧化还原环境的潜力，采集了两组地下水样品，分别反映氧化还原环境的空间和时间变化。用克隆和RFLP技术确定其中的优势种群，与其所在的氧化还原环境类型进行了相关性比较。 研究发现：硝酸盐还原环境的优势微生物种群多数为β-Proteobacteria，而硫酸盐还原环境的优势种群主要是革兰氏阳性菌。绝大多数微生物优势种群从未被描述过，它们与氧化还原环境的相关性表现为：一些优势种群的最同源微生物所具备的氧化还原反应能力与其所在的氧化还原环境类型是一致的。 研究表明：分子生物学方法对于其它氧化还原环境判别方法是一个重要的补充手段，它能从微生物角度获得一些氧化还原方面的信息，如：有助于分辨同时发生的氧化还原过程；但是，单独采用分子方法还不足以充分判定氧化还原环境，需与其它方法相结合才能得到可靠结论。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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导言

第一章绪论

第一节 课题的研究背景及研究意义

第二节 课题涉及的分子生物学方法概述

参考文献：

第二章 老港垃圾填埋场和地下水系统的基本情况

导言

第一节 老港垃圾填埋场概况

第二节 地下水系统概况

第三节 关于老港填埋场环境污染的研究综述

参考文献：

第三章 海水对老港垃圾填埋场地区地下水系统的影响

导言

第一节 材料和方法

第二节 结果和讨论

第三节 结论

参考文献：

第四章 老港垃圾填埋场渗沥液对周边地下水系统的污染

导言

第一节 材料和方法

第二节 结果和讨论

第三节 结论

参考文献：

第五章 可用于微生物分子生态学分析的地下水总DNA提取方法

导言

第一节 材料与方法

第二节 结果

第三节 分析与讨论

参考文献：

第六章 老港垃圾填埋场地下水微生物多样性和典型群落结构分析

导言

第一节 材料与方法

第二节 结果和讨论

第三节 结论

参考文献：

第七章 分子生物学方法在监测地下水氧化还原环境方面的潜力

导言

第一节 材料与方法

第二节 结果

第三节 讨论

参考文献：

结论

论文创新点

攻读博士学位期间已发表和接受的学术论文

致谢