川蔓藻对滨海景观再生水河道水质富营养化的控制机制研究

摘要

本文主要研究了北方滨海城市含盐再生水景观河道中典型沉水植物川蔓藻(Ruppia maritima)控制再生水发生富营养化的机制.通过野外调查与现场监测研究以及实验室内人工模拟自然的方法,重点研究了川蔓藻在再生水景观河道中的季节生长变化与水质的关系、川蔓藻对再生水中营养盐的去除效果、川蔓藻对再生水河道中优势藻类小球藻的克藻效应与克藻机理,并开发出一种与膜技术结合的生态净水装置-沉水植物反应器.取得的主要研究结果与结论包括: 在天津滨海湿地中,随着水体盐度下降,沉水植物的分布趋势为川蔓藻群落→篦齿眼子菜(Potamogeton pectinatus)群落→狐尾藻(Myriophyllum spicatum)群落→金鱼藻(Ceratophyllum demersum)群落→菹草(Potamogeton crispus)群落.野外调查和实验室耐盐性筛选表明:耐盐性依次为:川蔓藻>蓖齿眼子菜>狐尾藻>金鱼藻>菹草>线叶眼子菜(Potamogeton pusillus)>马来眼子菜(Potamogeton malainus)>黑藻(Hydrilla verticillata)>苦草(Vallisneriaasiatica). 川蔓藻在再生水河道中每年有两个季节生长高峰.川蔓藻组织中氮和磷的含量随季节变化而变化,组织中氮的含量最高达5.042﹪,磷是0.956﹪.2004年4月至2005年10月,受水体盐度变化的影响,再生水河道中的沉水植物发生了明显的演替,即川蔓藻种群逐渐被篦齿眼子菜种群取代；河道中沉水植物生物量的大小对浮游藻类的生长具有显著影响. 实验室水族缸静态实验研究表明:川蔓藻对再生水体中的营养盐具有显著的去除效果.当水力停留时问为5天时,对再生水中氨氮、硝酸盐氮和磷酸盐的净去除率分别为51.84﹪、28.88﹪和79.86﹪.对营养盐的去除效率达到每天每千克鲜重川蔓藻去除再生水中的总氮205.25mg,总磷65.36mg. 川蔓藻对再生水中营养盐的响应研究表明:河道中再生水的营养盐浓度已远远超过川蔓藻正常生长所需要的浓度.对川蔓藻的营养动力学研究表明:在再生水体中,川蔓藻的叶比根对营养盐的吸收速度快.川蔓藻的叶和根对再生水中营养盐的利用有交互影响.川蔓藻能够同时吸收两种氮源,对氨氮的富集度δ<'15>NH<,4>-N随时间呈对数增加,对硝酸盐氮的富集度δ<'15>NO<,3>-N则随时间呈指数增加. 在再生水中,川蔓藻对普通小球藻具有显著的抑制作用.共培养在96h的抑制率为88.86﹪.川蔓藻对小球藻的化感作用能够破坏藻细胞外化合物并阻碍小球藻对营养盐的吸收.使用川蔓藻的叶和根的种植水培养普通小球藻,96h的抑制率为叶34.71﹪,根14.12﹪.他感作用系数叶为-0.1317,根为-0.0901.川蔓藻的水浸提液对普通小球藻的抑制作用显著并具有浓度效应,96h的抑制率与浸提液浓度的对数成线性相关.川蔓藻的水浸提液对小球藻的细胞膜具有过氧化作用,能改变它的通透性,破坏光合系统,继而使膜破裂,胞内蛋白核和淀粉核释放,这些物质又使未解体的小球藻表面疏水性降低,最终使藻细胞絮凝沉降死亡. 使用川蔓藻和金鱼藻两种沉水植物检验了开发出的沉水植物反应器对来自CMF和MBR两种再生水的净化效果.结果表明:随着水力停留时间延长,两种沉水植物反应器对再生水中营养盐的去除率升高.沉水植物反应器内营养盐的去除符合一级反应动力学模式.通过接种小球藻和铜绿微囊藻检验了经沉水植物反应器深度净化的再生水对藻类的抑制效果.沉水植物对营养盐的吸收并同时向水体释放抑制藻类生长的化感物质是沉水植物反应器净化再生水的主要机制.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1再生水回用于景观水体的研究现状

1.1.1目前回用于景观水体的再生水的前处理工艺

1.1.2再生水回用于景观水体的潜在的危险

1.2控制景观水体发生富营养化的方法

1.3水生植物对富营养化水体的修复研究概述

1.3.1水生植物对富营养化水体的修复机制

1.3.2在富营养化的景观水体中恢复与重建水生植被的方法

1.4利用沉水植物控制水体富营养化的研究进展

1.4.1沉水植物的生态学特征与环境功能

1.4.2沉水植物对富营养化水体的净化效果

1.4.3沉水植物控制水体富营养化的机制

1.4.4富营养化水质对沉水植物恢复的影响

1.5课题的背景以及研究的主要内容和分析方法

1.5.1课题来源、论文研究背景及目的

1.5.2本论文研究的内容与技术路线

1.5.3实验使用的仪器设备与与水质、植物生理指标分析方法

第二章耐盐沉水植物的筛选

2.1天津滨海湿地现存沉水植物调查

2.1.1天津湿地沉水植被类型与分布的文献信息

2.1.2调查位点与方法

2.1.3调查结果与分析

2.2耐盐沉水植物的实验筛选

2.2.1筛选的实验方法

2.2.2数据处理与计算

2.2.3实验结果与分析

2.3盐度对沉水植物川蔓藻和篦齿眼子菜生理活性的影响

2.3.1实验方法

2.3.2实验结果与分析

2.4本章小结

第三章川蔓藻在滨海再生水河道中的季节生长及对水质的影响

3.1川蔓藻的生态学特征以及对环境变化的响应

3.2再生水河道的中试试验研究位点设计与调查指标的确定

3.2.1水质指标的取样与测定方法

3.2.2沉水植物生物量的测定方法与计算

3.2.3沉积物的采样方法与检测

3.3结果与分析

3.3.1川蔓藻在滨海再生水河道中的季节生长变化规律

3.3.2河道沉水植物的种类和分布比较

3.3.3河道再生水中营养盐、盐度、沉水植物和藻类的变化

3.3.4生长有沉水植物的河道沉积物中营养盐的变化

3.3.5沉水植物川蔓藻叶组织内氮和磷含量的季节变化

3.4讨论

3.4.1泰达再生水河道中沉水植物发生演替的原因

3.4.2沉水植物生物量的分布与河道水质、藻类生工的关系

3.5本章小结

第四章川蔓藻对滨海再生水的净化效果与响应机制

4.1川蔓藻对滨海再生水的净化效果

4.1.1实验材料与方法

4.1.2实验结果与分析

4.1.3讨论

4.2川蔓藻对滨海再生水中营养盐的响应机制

4.2.1实验材料与方法

4.2.2实验结果与讨论

4.3川蔓藻对无机营养盐的吸收动力学

4.3.1实验材料与方法

4.3.2实验结果与分析

4.4水体中可溶性无机氮在川蔓藻植株体内随时间的累积规律

4.4.1实验材料与方法

4.4.2实验结果与分析

4.5本章小结

第五章川蔓藻的克藻效应与克藻机理

5.1沉水植物对藻类的化感作用概述

5.2实验材料和方法

5.2.1实验材料

5.2.2藻细胞的培养及生物指标测试

5.2.3实验方法

5.2.4普通小球藻细胞的超微结构观察

5.2.5数据处理与计算

5.3实验结果与分析

5.3.1藻液吸光度、细胞密度及叶绿素a含量之间的相互关系

5.3.2再生水对于普通小球藻生长的影响

5.3.3川蔓藻的植株体与普通小球藻共培养时的抑藻效果

5.3.4川蔓藻的种植水对普通小球藻的抑制作用

5.3.5川蔓藻的水浸出液对普通小球藻的抑制作用

5.3.6普通小球藻对于川蔓藻化感作用的响应

5.3.7普通小球藻的超微结构变化分析

5.3.8川蔓藻的培植水与水浸体液化学成分检测

5.4讨论

5.4.1川蔓藻对普通小球藻的化感作用以及影响因素

5.4.2川蔓藻对普通小球藻的抑制机理

5.5本章小结

第六章与膜工艺结合的生态净水装置—沉水植物反应器

6.1沉水植物反应装置的设计

6.2沉水植物反应装置设计的理论依据

6.2.1沉水植物的生长特点

6.2.2沉水植物吸收营养盐的特点

6.2.3沉水植物的繁殖特点

6.2.4光对沉水植物次生代谢产物积累的影响

6.2.5沉水植物与浮游藻类的竞争特点

6.2.6前处理为膜工艺的再生水的水质特点

6.2.7沉水植物与浮游藻类的生态位在时问和空间上的分离

6.3沉水植物反应装置对再生水的深度净化实验研究

6.3.1川蔓藻反应器对滨海再生水的净化实验

6.3.2金鱼藻反应器对天大校园再生水的净化实验

6.3.3实验结果与分析

6.4讨论

6.4.1沉水植物反应器内营养盐的去除动力学

6.4.2夜晚补充光源与沉水植物反应器的净化效果

6.4.3沉水植物反应器的应用潜力分析

6.5本章小结

第七章结论、创新点、建议与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3建议

7.4展望

参考文献

附录

博士期间发表论文和参加科研情况

致谢