鳳眼蓮(Eichhonia crassipes)及根際微生物在治理富營(yíng)養(yǎng)化水體中的脫氮特征及作用機(jī)制研究.pdf

1、水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)峻，已成為全球環(huán)境難題。氮(N)是水體生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)最活躍的元素之一，與水體富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系密切。富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮的遷移、轉(zhuǎn)化所涉及的物理、化學(xué)及生物等作用的復(fù)雜過(guò)程，一直是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)治理水體富營(yíng)養(yǎng)化是目前最具優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景的技術(shù)手段，其中植物生態(tài)修復(fù)的研究與應(yīng)用更為廣泛。本文針對(duì)模擬試驗(yàn)和大面積湖泊實(shí)踐研究中漂浮植物鳳眼蓮(Eichhonia crassipes)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中除植物吸收外還有相當(dāng)

2、部分的氮去向不明的現(xiàn)象，通過(guò)15N示蹤技術(shù)并結(jié)合水體硝化、反硝化脫氮產(chǎn)物(N2O、N2)直接測(cè)定法，研究鳳眼蓮在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中的脫氮特征;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬試驗(yàn)以及滇池流域采樣調(diào)查分析反硝化細(xì)菌豐度及群落多樣性，研究鳳眼蓮修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中含氮?dú)怏w排放、脫氮途徑及相關(guān)機(jī)理。
　　直接測(cè)定反硝化脫氮?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)定的水體富營(yíng)養(yǎng)化條件下（NH4+-N濃度6.0-7.2mg·L-1、NO3--N濃度0.8

3、1～5.14mg·L-1、TN（總氮）濃度為8.9-12.07mg·L-1），種植鳳眼蓮的處理向大氣界面累積釋放N2形式損失的N量占水體N損失量的69.8±18.5.1％-76.9±3.0％，而鳳眼蓮吸收的N僅占水體TN損失量的23.7±3.1％-28.7±4.8％。未種植鳳眼蓮的處理向大氣界面累積釋放N2形式損失的N量為占整個(gè)水體N損失量的49.0±9.4％-49.7±0.9％。在NH4+-N、NO3--N和TN濃度分別為9.35～9

4、.52mg·L-1、2.00～2.35mg·L-1和11.83～12.62mg.L-1的富營(yíng)養(yǎng)化水體中，種植鳳眼蓮處理釋放N2O態(tài)氮量占整個(gè)水體N消減量的1.36％，為相應(yīng)未種植鳳眼蓮處理的4.31倍。種植鳳眼蓮的富營(yíng)養(yǎng)化水體向大氣界面釋放的N2和N2O量均顯著(p＜0.05)高于相應(yīng)處理下未種植鳳眼蓮的對(duì)照水體，說(shuō)明鳳眼蓮在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中不僅吸收水體氮素能力強(qiáng)，還可能對(duì)水體反硝化脫氮過(guò)程有促進(jìn)作用。
　　通過(guò)向水體中加入

5、N-15標(biāo)記的15NH4+-N或15NO3--N，利用N-15示蹤技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了鳳眼蓮修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中反硝化脫氮釋放氣態(tài)產(chǎn)物（15N2和15N2O）是去除水體氮的一個(gè)重要途徑。研究結(jié)果還表明種植鳳眼蓮的水體釋放N2和N2O的N-15原子百分超遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未種植鳳眼蓮的富營(yíng)養(yǎng)化水體，這直接證明了鳳眼蓮具有促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)化水體反硝化脫氮過(guò)程的能力。對(duì)種植和未種植鳳眼蓮的富營(yíng)養(yǎng)化水體中15NH4+-N或15NO3--N的歸趨途徑進(jìn)行詳細(xì)分析，

6、發(fā)現(xiàn)未種植鳳眼蓮的水體中很大一部分N被藻類(lèi)吸收（27.13±4.87％15N-NO3-，42.08±7.22％15N-NH4+），這部分藻類(lèi)存儲(chǔ)的生物態(tài)N隨著藍(lán)藻的生長(zhǎng)或死亡仍然滯留在水體當(dāng)中。種植鳳眼蓮控制了水體中藻類(lèi)的生長(zhǎng)。鳳眼蓮直接吸收N去除了水體中相當(dāng)一部分的N（62.01±6.93％15N-NO3-，76.76±6.21％15N-NH4+），說(shuō)明鳳眼蓮對(duì)人工配置的成分明確的富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮的吸收效果顯著高于自然條件下污染成分復(fù)

7、雜且氮濃度較高的富營(yíng)養(yǎng)化水體。同時(shí)，鳳眼蓮能夠促進(jìn)水體的反硝化脫氮過(guò)程，同位素示蹤結(jié)合平衡質(zhì)量法計(jì)算，在設(shè)定的水體富營(yíng)養(yǎng)化條件下（NH4+-N濃度5.60±0.55mg·L-1和TN濃度9.06±0.18mg·L-1或NO3--N濃度5.35±0.48mg·L-1和TN濃度為7.63±0.45mg·L-1)，相當(dāng)一部分15N通過(guò)硝化、反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)化為N2(25.00％15N-NO3-，20.85％15N-NH4+)和N2O(8.61±1

8、.70％15N-NO3-，0.32±0.036％15N-NH4+)。結(jié)果進(jìn)一步明確了鳳眼蓮主要通過(guò)直接吸收以及促進(jìn)反硝化脫氮途徑消減水體氮素。
　　在明確了鳳眼蓮能夠促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)化水體反硝化脫氮過(guò)程的基礎(chǔ)上，從微生物是反硝化脫氮過(guò)程主要驅(qū)動(dòng)者的科學(xué)視點(diǎn)出發(fā)，本文重點(diǎn)研究了鳳眼蓮調(diào)節(jié)富營(yíng)養(yǎng)化水體反硝化脫氮過(guò)程的微生物學(xué)機(jī)制。以反硝化作用中將無(wú)機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的幾個(gè)關(guān)鍵酶的編碼基因（nirK、nirS、nosZ）為切入點(diǎn)，利用分子生物

9、學(xué)手段，通過(guò)研究鳳眼蓮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)系統(tǒng)中反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性和豐度的調(diào)節(jié)作用，探索鳳眼蓮介導(dǎo)下nirK、nirS、nosZ反硝化功能基因變化與反硝化脫氮釋放氣態(tài)產(chǎn)物的耦合關(guān)系。模擬試驗(yàn)的研究結(jié)果表明鳳眼蓮根系上附著的nirK，nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌的物種多樣性要高于其生長(zhǎng)的水體，說(shuō)明鳳眼蓮龐大的根系表面積和根系分泌物可能為反硝化細(xì)菌的附著和生長(zhǎng)提供了有利條件。鳳眼蓮修復(fù)系統(tǒng)的nirK，nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌的

10、豐度顯著高于未種植鳳眼蓮的處理，進(jìn)一步說(shuō)明鳳眼蓮根系適合反硝化細(xì)菌形成優(yōu)勢(shì)菌群，富集豐富的反硝化細(xì)菌數(shù)量。鳳眼蓮根系對(duì)nirK，nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌豐度和種群多樣性的促進(jìn)作用，以及鳳眼蓮修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)氮損失（N2O和N2）與反硝化細(xì)菌豐度顯著相關(guān)同時(shí)證明了反硝化作用的發(fā)生，也說(shuō)明了鳳眼蓮?fù)ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)反硝化細(xì)菌的物種多樣性和豐度，促進(jìn)了水體反硝化作用，顯著增強(qiáng)了富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮元素的去除效果。
　　在模擬實(shí)驗(yàn)

11、證明了鳳眼蓮?fù)ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)反硝化細(xì)菌的物種多樣性和豐度促進(jìn)了水體反硝化過(guò)程的基礎(chǔ)上，為了研究水體中環(huán)境因子與鳳眼蓮對(duì)反硝化細(xì)菌的共同調(diào)節(jié)作用，從而預(yù)測(cè)鳳眼蓮修復(fù)滇池流域水體過(guò)程中的脫氮特征及含氮?dú)怏w排放規(guī)律，對(duì)滇池流域鳳眼蓮生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過(guò)程中水體及鳳眼蓮根系的nirK，nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌進(jìn)行了調(diào)查分析。結(jié)果表明反硝化細(xì)菌中的nirK，nirS和nosZ基因多樣性在整個(gè)滇池流域的水體及根系表面都具有明顯的空間分布變異，這種變化規(guī)

12、律和水體中的環(huán)境因子具有密切的關(guān)系，但是環(huán)境因子對(duì)不同的樣品的影響程度不同，表現(xiàn)出明顯的空間特異性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，環(huán)境參數(shù)能更好地解釋大面積水域的反硝化細(xì)菌群落多樣性變異。根系樣品中nirK，nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌在整個(gè)滇池流域中的空間分布變異不僅和水體中的環(huán)境因子密切相關(guān)，也受鳳眼蓮根系環(huán)境的影響較大。
　　鳳眼蓮對(duì)滇池流域中反硝化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能影響均較大，在污染程度較嚴(yán)重的河流中中生長(zhǎng)的鳳眼蓮會(huì)利用其自

13、身對(duì)污染物質(zhì)的吸收和富集作用而重新構(gòu)建其特有的根際環(huán)境，有利于提高反硝化細(xì)菌多樣性豐度，從而在污染程度嚴(yán)重的污水中進(jìn)行脫氮修復(fù)。污水處理廠(chǎng)排出的NO3-濃度及人工馴化的反硝化細(xì)菌濃度均較高的再生水對(duì)河流的入湖河口及近河口的湖區(qū)反硝化細(xì)菌的群落多樣性和細(xì)菌豐度影響顯著，導(dǎo)致周邊水域中反硝化群落多樣性的減少和人工馴化的優(yōu)勢(shì)反硝化細(xì)菌數(shù)量的急劇上升。滇池流域根系樣品中nirK基因拷貝數(shù)和nirS基因拷貝數(shù)的比值（K/S）變化規(guī)律說(shuō)明在入湖河流