浅层地下水氮污染对氮代谢微生物影响及其生化修复研究

摘要

我国地下水污染问题日益突出，尤其是农村畜禽养殖所产生的废液和废渣直接排入水体或者任意堆置，经过淋溶渗滤，进入地下水体，造成地下水氮污染。目前我国地下水氮污染修复水平相对落后，如何经济高效的修复治理氮污染地下水是一个亟需解决的问题。本研究针对浙江省海盐县某养殖场氧化塘周边地下水的氮污染情况，开展了场地环境及微生物调查和氮污染修复工作，主要取得的研究结果如下：
　　(1)研究区内地下水氮污染物主要以氨氮为主，范围在0.30～463.96mg/L之间，呈现了较强的时间和空间异质性;地下水硝氮浓度较低，普遍小于10mg/L;同时，场地内总有机碳较高，最高可达250.06mg/L，而且呈现较大的空间异质性;地下水pH范围为7～8，呈弱碱性;电导率范围为0.65～2.51ms/cm。根据PCA分析结果，理化因子中主因子为氨氮和硝氮，并且可以将场地划分为3个Clusters，分别是靠近No.1氧化塘的ClusterⅠ、远离氧化塘的场地东南区域ClusterⅡ、靠近No.2氧化塘的ClusterⅢ，氮素浓度分布ClusterⅢ＞ ClusterⅡ＞ClusterⅠ;碳氮比分布ClusterⅠ＞ClusterⅡ＞ClusterⅢ; pH分布ClusterⅡ＞ClusterⅢ＞ClusterⅠ;电导率分布ClusterⅢ＞ ClusterⅡ＞ClusterⅠ;温度无明显分布规律。
　　(2)通过调查场地内微生物数量和群落结构发现，场地内氮代谢微生物以氨氧化细菌、亚硝酸盐还原菌、氧化亚氮还原菌等为主，数量关系为氨氧化细菌＞亚硝酸盐还原菌＞氧化亚氮还原菌，场地优势种为变形菌的β亚纲。根据PCA结果划分场地后可以得到，各类氮代谢细菌的数量都是ClusterⅢ＞ClusterⅡ＞ClusterⅠ。氨氮、硝氮和各类氮代谢细菌之间都呈不同程度的正相关关系，除此之外，亚硝酸盐还原菌量和总有机碳浓度及电导率呈极显著正相关(P＜0.01)，氧化亚氮还原菌量和总有机碳浓度呈极显著正相关(P＜0.01)。总体来说，呈现污染越严重，微生物多样性越低的现象。
　　(3)用包埋脱氮菌液的麸皮与木屑混合，形成有机质层，代替多介质层处理系统(MSL)系统中的土壤层，对MSL系统进行改良。系统的运行结果表明，在运行初期，系统的沸石层的强吸附作用使得地下水氮素基本被完全去除;长期运行后，吸附作用达到平衡，而地下水氮素仍在进一步去除，说明此时依靠有机质层上氮代谢微生物形成的生物膜完成脱氮作用。根据分子生物学手段(qPCR和高通量测序)及扫描电镜(SEM)鉴定等方法，初步研究了系统经过运行后有机质层上的生物膜的微生物结构。结果显示有机质层生物膜上存在的主要氮代谢微生物类型有氨氧化细菌、氧化亚氮还原菌和氨氧化古菌，微生物优势种为变形菌门β亚纲，SEM结果显示细菌形态主要是球菌和杆菌等。系统长期运行的末期，最终出水氨氮浓度小于5mg/L，氨氮去除率大于90％，对高浓度氨氮污水实现了良好的处理效果;但是同时硝氮浓度较高，约为80mg/L，分析原因，可能是由于系统内缺乏适合反硝化的良好厌氧环境和反硝化关键微生物亚硝酸盐还原菌，具体原因仍需要进一步研究。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 地下水氮污染

1．1．1 氮污染的来源

1．1．2 地下水中氮的不同存在形式及危害

1．2 氮代谢相关微生物

1．2．1 水体环境氮代谢主要过程

1．2．2 氮代谢相关微生物

1．2．3 理化因子对氮代谢及相关微生物的影响

1．3 氮污染水处理研究进展

1．3．1 多介质层处理系统(MSL)

1．3．2 可渗透反应格栅技术(PRB)

1．3．3 生物膜法(MBR)

1．3．4 其他处理方法

1．4 研究目标、内容及技术路线

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第2章 材料和方法

2．1 研究区域概况

2．2 实验材料

2．2．1 主要试剂

2．2．2 仪器设备

2．3 实验方法

2．3．1 水样采集

2．3．2 理化性质测定

2．3．3 无机氮测定方法

2．3．4 DNA提取

2．3．5 引物的选择和PCR扩增

2．3．6 高通量测序

2．4 数据分析

第3章 地下水水质对氮代谢微生物数量和结构的影响

3．1 理化因子分布

3．2 氮代谢微生物数量和结构

3．3 理化因子和氮代谢微生物基因拷贝数相关性分析及对氮代谢微生物分布的影响

3．3．1 理化因子和细菌V3区基因数量相关性分析

3．3．2 理化因子和amoA基因数量相关性分析

3．3．3 理化因子和nosZ和nirK基因数量相关性分析

3．3．4 理化因子对微生物种类分布的影响

3．4 讨论

3．5 本章小结

第4章 多介质层生物处理系统(MSL)内氮代谢微生物分析及地下水脱氮

4．1 场地筛选土著菌系统发育分析

4．2 MSL内的各有机质层理化性质

4．3 MSL内氮代谢微生物分析

4．3．1 氮代谢微生物定量分析

4．3．2 氮代谢微生物群落结构分析

4．4 氮污染处理系统运行效果

4．4．1 氨氮处理效果

4．4．2 硝氮处理效果

4．5 讨论

4．6 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 研究结论

5．2 创新点

5．3 不足与展望

参考文献

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