分層型水庫水體細菌群落演變機制與揚水曝氣強化作用研究.pdf

1、針對分層型水庫水體細菌群落在熱分層演化過程中的自然演替特征以及揚水曝氣技術對水庫水體熱分層狀態(tài)破壞下水體細菌群落的響應變化，本研究采用Biolog微平板技術、高通量測序技術、PCR-DGGE技術和流式細胞術等方法，結合水庫水質監(jiān)測結果，從功能多樣性與結構多樣性的分子生物學角度揭示了水體細菌群落在驅動水庫水體水質演變與元素轉化中的主要作用以及揚水曝氣原位改善水庫水質的生物學機制。重點研究了：水庫熱分層對水體細菌群落的影響；水庫分層演化過程

2、中水體細菌群落演替特征；周村水庫沉積物中硫酸鹽還原菌群落結構與多樣性；揚水曝氣技術對水庫水體細菌群落的調節(jié)及對其活性的強化作用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴水庫水體熱分層演替造成了水體垂向上微生物棲息地異質性。石砭峪水庫、金盆水庫和周村水庫水體細菌群落在水體分層狀態(tài)下呈現(xiàn)出分層性差異，厭氧水體多樣性指數(shù)高于好氧水體。水體細菌群落分層性差異與水體溶解氧、溫度、pH及營養(yǎng)鹽濃度的垂向梯度具有一致性。⑵探明了水庫水體細菌群落碳源代謝活性

3、的變化特征：水體在混合狀態(tài)下，細菌群落對主要碳源的代謝能力處于同一水平；水體分層后，對酯類、胺類和糖類碳源的代謝能力高于氨基酸類、羧酸類和醇類碳源，細菌群落的碳源代謝平衡被破壞；由于表層與底層水體之間的功能多樣性差異，分層期水體整體碳源代謝活性低于混合期，底層總有機質出現(xiàn)積累。結果表明水體分層會降低微生物對有機污染物的降解能力。⑶水體在混合狀態(tài)下，細菌群落結構組成在垂向上保持均一，變形菌（Proteobacteria）為最優(yōu)勢的種群之一

4、。水體在分層狀態(tài)下，垂向產(chǎn)生結構差異：藍藻細菌（Cyanobacteria）成為表層好氧水體比例最高的種群，并且垂向分布特征與水體pH梯度相對應；變形菌在周村水庫底層厭氧水體中爆發(fā)，最高比例達到80.7％，主要原因是由于沉積物污染釋放進入底層水體造成的水質惡化。周村水庫參與地球生物化學循環(huán)的種群伴隨水體分層狀態(tài)顯示出周期性演替特征：分層期水體中參與氮元素、硫元素的細菌種群比例增加；厭氧水體中以甲基暖菌屬（Methylocaldum）、甲

5、基單胞菌屬（Methylomonas）為代表的參與甲烷循環(huán)種群比例增加；硫酸鹽還原菌比例在底層水體上升至5.1%，底層水體中硫化物含量上升至1.281 mg/L，兩者變化具有一致性。結合水質變化數(shù)據(jù)，溶解氧、pH等環(huán)境因子對細菌群落結構組成起到了重要作用。⑷周村水庫主庫區(qū)沉積物具有較高的有機質含量和硫化物含量，酸揮發(fā)性硫化物濃度在最深點達到205.9μg/g，硫酸鹽還原菌最高數(shù)量達到1.15×105 cells/g。PCR-DGGE檢測

6、結果表明硫酸鹽還原菌優(yōu)勢種群為脫硫桿菌屬（Desulfobacterium）和脫硫葉菌屬（Desulfobulbus），對水體中硫酸鹽還原菌的優(yōu)勢種群起到?jīng)Q定作用。沉積物中有機質、總氮、總磷含量是決定硫酸鹽還原菌多樣性的主要理化性質因素之一。⑸揚水曝氣作用使得水體細菌群落分層性差異消失，各細菌種群比例在垂向上趨于均一：混合充氧作用對表層水體藍藻細菌及底層厭氧型細菌種群具有明顯的削減作用，其中金盆水庫表層水體藍藻細菌由運行前47.4%削減

7、至運行后不足5%；水質改善效果對底層水體中變形菌的爆發(fā)有抑制作用；周村水庫底層硫酸鹽還原菌比例削減78.8%，硫化物削減98.3%。揚水曝氣強化脫氮菌效果顯著：金盆水庫運行后具有好氧反硝化潛能的種群總比例上升到14.9%；假單胞菌屬（Pseudomonas）等典型好氧反硝化種群比例上升顯著；周村水庫底層水體溶解性總氮削減86.1%，脫氮效果顯著。⑹針對課題組篩選出的好氧反硝化菌劑，診斷了高效菌株對發(fā)光細菌、斑馬魚等標準受試物的生態(tài)、生物