海馬齒生態(tài)浮床植物根際脫氮過程及影響因素的研究.pdf

1、大氣是地球氮元素儲量最大的氮庫，由于氮氣的三鍵結構十分穩(wěn)定，打開它所需的能量較高，因此在工業(yè)革命以前，主要靠閃電固氮和生物固氮將其轉化為人和生物可以利用的含氮化合物。然而隨著人類社會的不斷發(fā)展，為了滿足人們生產(chǎn)生活的需要，大量氮元素被通過工業(yè)的方式固定下來，并隨著化肥的濫用積累在環(huán)境中，造成氮循環(huán)的破壞，并產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。富營養(yǎng)化帶來的惡果就是水體藻類大量繁殖，溶解氧急劇降低，造成魚蝦等水生生物的死亡等。因此，想要根除富營養(yǎng)化現(xiàn)象

2、就必須將水體過量的氮、磷營養(yǎng)鹽從水體脫除。目前人們所發(fā)現(xiàn)的自然界的生物脫氮過程有兩個，反硝化過程和厭氧氨氧化(Anammox)過程。在反硝化過程中，硝酸鹽經(jīng)過異化硝酸鹽還原作用被逐步還原為一氧化氮、氧化亞氮和氮氣，在厭氧氨氧化過程中，銨鹽和亞硝酸鹽或硝酸鹽發(fā)生反應，生成氮氣。這兩種過程需要在反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌的參與下才能完成。
　　近年來，人們開發(fā)出許多技術來治理富營養(yǎng)化水體，如人工濕地技術、生物操縱技術、生態(tài)浮床技術等，

3、并且這些技術已經(jīng)成功應用于富營養(yǎng)化水體的治理中。其中生態(tài)浮床技術由于其無可比擬的優(yōu)勢，成為了極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)修復技術。然而，生態(tài)浮床技術卻一直難以應用于富營養(yǎng)化問題同樣嚴重的海水中，因為難以找到一種耐鹽的浮床植物。本實驗室經(jīng)過多年研究，篩選出海馬齒、鹽角草等耐鹽植物作為浮床植物，并已成功應用于富營養(yǎng)化海水的治理中。
　　在實驗室之前的研究基礎上，本研究通過構建模擬海馬齒生態(tài)浮床，設置不同的溶解氧、鹽度和海馬齒根系長度梯度，利用實

4、時熒光定量PCR技術，對水體中的nosZ基因和hzo基因進行定量，研究溶解氧、鹽度和海馬齒根系長度對浮床植物根際微生物的影響，并在最佳溶解氧、鹽度和海馬齒根系長度的條件下對海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)的脫氮途徑和脫氮量進行研究，研究主要結論如下:
　　1、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際水體中hzo基因豐度為67.13 copies/mL，nosZ基因的豐度為1927.13 copies/mL，高于中溶

5、解氧(DO～2.0 mg/L)和高溶解氧(DO＞7.0 mg/L)條件下，因此我們認為低溶解氧條件更有利于反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌的生長。此外，在所有溶解氧條件下，反硝化細菌在總脫氮細菌中數(shù)量占比均大于94％，相應的厭氧氨氧化細菌在總脫氮細菌中的數(shù)量占比均小于6％，因此我們認為海馬齒生態(tài)浮床根際脫氮微生物群落中反硝化過程占據(jù)主導作用。
　　2、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)

6、植物根際水體中hzo基因豐度為79.02 copies/mL，nosZ基因的豐度為3093.31 copies/mL，總脫氮基因拷貝數(shù)高于中鹽度(Sal～20)和低鹽度(Sal～0.5)條件下，因此我們認為高鹽度條件更有利于反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌的生長，這種現(xiàn)象可能與體系中微生物的來源有關。在所有鹽度條件下，反硝化細菌在總脫氮細菌中的數(shù)量占比均大于92％，相應的厭氧氨氧化細菌在總脫氮細菌中的數(shù)量占比均小于8％，因此我們認為海馬齒生態(tài)

7、浮床根際脫氮微生物群落中反硝化過程占據(jù)主導作用。
　　3、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際水體中的hzo基因拷貝數(shù)不隨根長的改變而改變，而nosZ基因拷貝數(shù)則與根長呈顯著的負相關。我們推測這是因為在全根（根冠比為0.09）條件下，異養(yǎng)的反硝化細菌需要植物根系分泌物作為碳源供應生長，因此附著在根系表面，因而根際水體中豐度比半根條件和無根條件降低;而厭氧氨氧化細菌屬化能自養(yǎng)

8、型細菌，有機物對其有抑制作用，因此其較喜歡生活在根際水體中而非根系表面，因此會出現(xiàn)全根、半根和無根條件下其豐度在0.05的顯著性水平上無顯著差異。
　　4、在低溶解氧(DO＜0.6 mg/L)、高鹽度(Sal～30)條件下，通過對海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)植物根際脫氮過程的研究，發(fā)現(xiàn)海馬齒生態(tài)浮床對與水體氮營養(yǎng)鹽具有較強的凈化能力，在培養(yǎng)7天時，其對水體氮元素的平均脫除速率可達到1.36 mg/d。此外，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)根際脫氮過程存在