耐鹽挺水植物去除氮磷的機(jī)制及根際氨氧化菌群特征分析.pdf

1、人工濕地具有投資低、能耗少、生態(tài)效益好的特點(diǎn)，近年來(lái)被越來(lái)越多地用于天津?yàn)I海地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)和污水深度處理工程。但是實(shí)際工程運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于濱海地區(qū)地表水體和污水的含鹽量較高，建設(shè)的人工濕地在某些情況下難以達(dá)到理想的效果。本論文依據(jù)水利部行業(yè)公益科研項(xiàng)目“咸化水體水生植物生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究”的要求，篩選適用于天津?yàn)I海人工濕地建設(shè)的挺水植物和浮葉植物，研究水中含鹽量對(duì)植物生理生化特性和氮（N）、磷（P）降解過(guò)程的影響機(jī)制，探討濕地植

2、物根際氨氧化微生物分布特征，為濱海地區(qū)人工濕地凈化含鹽富營(yíng)養(yǎng)化水體和污水深度處理工程建設(shè)提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。
　　通過(guò)文獻(xiàn)資料分析和實(shí)地調(diào)研，選擇出適用于天津?yàn)I海地區(qū)的常見(jiàn)的7種挺水植物和2種浮葉植物。采用無(wú)底泥水培法，根據(jù)植物的耐鹽存活閾值評(píng)估這9種植物的耐鹽性。（鹽濃度以水中NaCl含量（％）表示，耐鹽存活閾值為存活率超50%以上的水中鹽濃度）。通過(guò)試驗(yàn)得出，蘆葦、千屈菜和香蒲為最耐鹽植物，它們的耐鹽存活閾值可達(dá)到1.0%

3、的鹽濃度；水蔥、荇菜、黃花鳶尾和黑三棱的耐鹽存活閾值為0.5%鹽濃度，存活率均為70%以上；而梭魚草和睡蓮的耐鹽能力最差，它們的耐鹽存活閾值低于0.5%鹽濃度。通過(guò)4種植物的靜態(tài)水培降解試驗(yàn)得出，在較高鹽濃度條件下，植物對(duì)N和P的降解能力與耐鹽能力成正比，在含鹽水中，挺水植物比浮葉植物的N和P降解能力好。
　　選擇千屈菜、香蒲和黃花鳶尾三種挺水植物，考察其對(duì)不同鹽濃度（0.05%、0.5%和1.0%）的脅迫響應(yīng)。通過(guò)分析植物在鹽脅

4、迫下的兩種主要敏感性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)指標(biāo)不僅與植物的生長(zhǎng)健康狀況密切相關(guān)，而且在高鹽濃度下1周左右，脯氨酸（Pro）和丙二醛（MAD）的激增與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解速率呈負(fù)相關(guān)。所以可將生理指標(biāo)Pro和MAD用于植物受鹽脅迫的預(yù)警監(jiān)測(cè)因子。試驗(yàn)還得出植物的超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD）活性隨鹽濃度的增加而不同程度的增高，但是不同植物間酶的活性相差較大。
　　采用水培試驗(yàn)，研究了不同鹽濃度條件下，千屈菜

5、、水中微生物和根系微生物微生態(tài)體系中 N、P的去除機(jī)制。結(jié)果表明，在淡水條件下（0.05%鹽濃度），千屈菜對(duì)N的吸收是最主要的除N方式，根系微生物對(duì)N的降解作用次之，水中微生物對(duì)N的降解作用最??；淡水條件下水中的P主要被根系微生物降解，千屈菜吸收次之，水中微生物的除P能力最小。在咸水中（0.5%鹽濃度），根系微生物對(duì)N的降解作用成為最主要的除N方式，千屈菜對(duì)N的吸收和水中微生物的除N能力均較淡水條件下有所降低；水中微生物對(duì)P的去除成為主

6、要的除P方式，千屈菜對(duì)P的吸收、水中微生物和根系微生物對(duì)P的去除均較淡水條件下有所降低。
　　采用模擬人工濕地試驗(yàn)，研究了不同鹽濃度條件下（0.05%、0.5%和1.0%），濕地系統(tǒng)N和P的降解、植物生長(zhǎng)和填料表面性能的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，鹽濃度的提高對(duì)TN去除的抑制作用不明顯；0.5%鹽濃度對(duì)NH4+-N、NO3--N和TP的去除影響較小，1.0%鹽濃度對(duì)NH4+-N、NO3--N和TP的去除則表現(xiàn)為很強(qiáng)的抑制作用。濕地系統(tǒng)

7、運(yùn)行過(guò)程中，千屈菜的高度和分枝數(shù)隨鹽濃度的增加而逐漸降低，千屈菜的根表面積、根尖數(shù)和根分叉數(shù)對(duì)鹽濃度最敏感；千屈菜植株地上部分的Na+含量隨鹽濃度的增加而顯著增加，表明千屈菜有一定的聚鹽能力。檢測(cè)結(jié)果顯示，在不同鹽濃度下，千屈菜植株地上部分的N、P和Na+含量均大于地下部分，隨水中鹽濃度增加，植株地上部分N、P含量和地下部分N含量均顯著下降。千屈菜對(duì)N的吸收速率大于對(duì)P的吸收。隨著鹽濃度的增加，植株地上部分體內(nèi)Na+的濃度上升，而N、P

8、的吸收速率降低，進(jìn)而分析得出千屈菜植株體內(nèi)Na+的累積會(huì)抑制千屈菜對(duì)N、P的吸收。濕地系統(tǒng)中陶粒填料表面Na元素的重量百分比與進(jìn)水鹽濃度呈正比，水中的鹽會(huì)在填料表面沉積，從而對(duì)填料的表面性能及微生物附著及其凈化能力產(chǎn)生影響。
　　利用分子生物學(xué)的方法，以amoA基因作為特異的分子標(biāo)記，對(duì)濕地中的氨氧化微生物進(jìn)行分析。試驗(yàn)共構(gòu)建18個(gè)amoA基因克隆文庫(kù)，以2%的核苷酸組成差異進(jìn)行OTU（分類操作單元，Operational tax

9、onomic unit）分類，其中有18個(gè)氨氧化細(xì)菌（AOB）amoA和47個(gè)氨氧化古菌（AOA）amoA OTUs。AOB amoA基因文庫(kù)中的OTUs主要分布在亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）、亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）和未知菌屬中，其中亞硝化單胞菌屬為優(yōu)勢(shì)菌屬。AOA amoA基因文庫(kù)中的OTUs主要分布在Nitrosopumilaceae-like、Nitrososphaera-like和未知菌屬中。鹽濃

10、度和根際環(huán)境對(duì)AOB和AOA amoA基因文庫(kù)中OTUs種類的影響較小。根際環(huán)境中的AOB和AOA amoA基因拷貝數(shù)較非根際環(huán)境中受鹽濃度影響較小，非根際環(huán)境中AOB和AOA amoA基因拷貝數(shù)均隨鹽濃度的增加而顯著降低。根際環(huán)境中AOB和AOA amoA基因拷貝數(shù)在0.5%和1.0%鹽濃度下均高于0.05%鹽濃度（淡水），但在0.5%鹽濃度下最多。此外，土壤基質(zhì)氨氧化潛勢(shì)（PNR）與AOB和AOA amoA基因拷貝數(shù)均極顯著相關(guān)（P