間歇曝氣條件下河流內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化及微生物機(jī)制.pdf

1、當(dāng)外源氮逐步得到控制后，底泥中內(nèi)源氮的釋放也是造成水體污染的重要污染源。連續(xù)曝氣技術(shù)是現(xiàn)今水體修復(fù)的主要方式，雖然曝氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氮的硝化過程使氨氮明顯降低，但是忽略了反硝化而使水體中總氮和硝態(tài)氮含量仍較高。該論文采集十五里河上覆水和底泥，通過間歇曝氣的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)源氮的釋放及短程硝化反硝化的生物脫氮。采用分子生物學(xué)方法，主要分析間歇曝氣短程生物脫氮過程中微生物群落組成及功能微生物，并分析對(duì)微生物群落及氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度影響的主要環(huán)境因素。

2、采用近紅外光譜法研究間歇曝氣過程中氮轉(zhuǎn)化及氮指標(biāo)的快速檢測(cè)，主要研究結(jié)果如下:
　　1.應(yīng)用間歇曝氣法研究受污染河流的氮的釋放及轉(zhuǎn)化規(guī)律。間歇曝氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:上覆水曝氣階段，氨氮濃度逐漸降低，亞硝酸鹽濃度逐漸升高，上覆水曝氣階段發(fā)生了明顯的短程硝化作用;上覆水停止曝氣階段，氨氮因底泥釋放表現(xiàn)為逐漸上升，而亞硝酸鹽氮逐漸因短程反硝化而減少，上覆水停止曝氣階段發(fā)生了明顯的短程反硝化作用;而整個(gè)間歇曝氣期間，硝酸鹽氮變化穩(wěn)定且濃度變化

3、范圍較小(0～0.38mg/L);總氮濃度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。反復(fù)間歇曝氣有利于河流上覆水短程硝化反硝化生物脫氮。
　　2.采用分子生物學(xué)方法研究間歇曝氣過程中微生物群落結(jié)構(gòu)及微生物多樣性，并采用冗余分析法和變差分解法分析對(duì)微生物群落及多樣性影響的主要環(huán)境因子。上覆水微生物群落結(jié)構(gòu)研究表明，在短程硝化階段，上覆水中Comamonas（叢毛單胞菌屬）發(fā)揮了重要的短程硝化功能。在短程反硝化過程中，上覆水中的短程反硝化菌的特征菌較少，對(duì)

4、脫氮貢獻(xiàn)不大。冗余分析表明，DO、pH和FA對(duì)上覆水短程硝化階段微生物種群結(jié)構(gòu)的變化的影響最大，DO、pH、FA、NH4+是上覆水短程反硝化階段對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)的變化影響較大的因素。
　　底泥微生物多樣性分析表明，在短程硝化階段，底泥中的短程硝化功能菌在門水平上可能存在，在綱和屬水平未發(fā)現(xiàn)明顯的短程硝化功能菌。而在短程反硝化過程中，底泥中Thauera菌屬是實(shí)現(xiàn)河流短程生物脫氮的主要微生物。冗余分析表明，水質(zhì)理化因子DO和pH對(duì)底

5、泥短程硝化階段微生物種群分布的影響均較大。pH和NO2-對(duì)短程反硝化階段微生物種群分布的影響均較大。
　　3.采用PCR熒光定量法研究底泥中氮轉(zhuǎn)化功能基因?qū)恿魃细菜g歇曝氣環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律。采用冗余分析法分析反應(yīng)過程中對(duì)底泥功能基因影響的主要環(huán)境因子。采用皮爾森相關(guān)性分析氮轉(zhuǎn)化功能基因與底泥化學(xué)指標(biāo)的關(guān)系。PCR熒光定量分析表明，短程硝化階段，底泥中氨氧化功能基因amoA呈現(xiàn)明顯的增長趨勢(shì)，表明較強(qiáng)的短程硝化功能。而硝化功能基

6、因nxr變化趨勢(shì)不大，且變化趨勢(shì)不顯著的，說明亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成的硝酸鹽氮較少。短程反硝化階段，功能基因nirK和nirS呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，cnorB也呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢(shì)，說明由亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮的量明顯較多，一氧化氮向一氧化二氮轉(zhuǎn)化也較明顯。
　　底泥基礎(chǔ)化學(xué)指標(biāo)及其與氮轉(zhuǎn)化功能基因的皮爾森相關(guān)性表明，在短程硝化階段亞硝酸鹽氮與nxr功能基因有顯著相關(guān)性（Pearson相關(guān)性:r=0.924），而且DO與Archaeal-

7、amoA、Bacterial-amoA、nirS有顯著相關(guān)性（Pearson相關(guān)性:r=0.909;r=0.934;r=-0.917）。短程反硝化階段NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、C∶N及TOC與多種氮轉(zhuǎn)化功能基因具有顯著相關(guān)性。冗余分析和變差分解分析表明，短程硝化階段DO、NH4+-N和C∶N是影響短程硝化階段底泥功能基因轉(zhuǎn)化的主要因素。而短程反硝化階段DO、NO2--N和TOC是影響底泥功能基因轉(zhuǎn)化的主要因素。

8、r>　　4.氮的及時(shí)檢測(cè)是控制間歇曝氣工藝穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵。為克服傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)方法耗時(shí)、耗藥且產(chǎn)生二次污染等缺陷，采用綠色快捷的近紅外光譜結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，即iPLS（間隔偏最小二乘法）、siPLS（組合間隔偏最小二乘法）、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)建立總氮、氨氮和亞硝酸鹽氮含量的定量分析模型。研究結(jié)果表明，近紅外光譜結(jié)合不同的數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法所建立的快速分析模型均能進(jìn)行對(duì)總氮、氨氮和亞硝酸鹽氮的含量進(jìn)行檢測(cè)，其中siPLS方法所建立的

9、氮指標(biāo)的定量分析模型最精確，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量分析模型其次，再次是iPLS定量分析模型和支持向量機(jī)定量分析模型。
　　論文對(duì)受污染河流上覆水間歇曝氣進(jìn)行了上覆水短程生物脫氮研究。利用分子生物學(xué)手段開展了微生物群落組成特征及其對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)研究，進(jìn)一步分析了底泥中氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度及環(huán)境因素的相關(guān)關(guān)系。采用近紅外光譜法結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)氮指標(biāo)的快速表征。該研究豐富了對(duì)受污染河流短程生物脫氮中氮的循環(huán)機(jī)制的認(rèn)知，并為受污染河流的有效