鳳眼蓮(Eichhonia crassipes)及根際微生物在治理富營養(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，與水體富營養(yǎng)化關(guān)系密切。富營養(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)雜過程，一直是國際上研究的熱點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)治理水體富營養(yǎng)化是目前最具優(yōu)勢和應(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)富營養(yǎng)化水體過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)直接測定法，研究鳳眼蓮在修復(fù)富營養(yǎng)化水體過程中的脫氮特征;在此基礎(chǔ)上，通過模擬試驗(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)富營養(yǎng)化水體過程中含氮?dú)怏w排放、脫氮途徑及相關(guān)機(jī)理。
　　直接測定反硝化脫氮?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的富營養(yǎng)化水體中，種植鳳眼蓮處理釋放N2O態(tài)氮量占整個水體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照水體，說明鳳眼蓮在修復(fù)富營養(yǎng)化水體過程中不僅吸收水體氮素能力強(qiáng)，還可能對水體反硝化脫氮過程有促進(jìn)作用。
　　通過向水體中加入

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)富營養(yǎng)化水體過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養(yǎng)化水體，這直接證明了鳳眼蓮具有促進(jìn)富營養(yǎng)化水體反硝化脫氮過程的能力。對種植和未種植鳳眼蓮的富營養(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被藻類吸收（27.13±4.87％15N-NO3-，42.08±7.22％15N-NH4+），這部分藻類存儲的生物態(tài)N隨著藍(lán)藻的生長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的生長。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+），說明鳳眼蓮對人工配置的成分明確的富營養(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養(yǎng)化水體。同時，鳳眼蓮能夠促進(jìn)水體的反硝化脫氮過程，同位素示蹤結(jié)合平衡質(zhì)量法計算，在設(shè)定的水體富營養(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通過硝化、反硝化過程轉(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)富營養(yǎng)化水體反硝化脫氮過程的基礎(chǔ)上，從微生物是反硝化脫氮過程主要驅(qū)動者的科學(xué)視點(diǎn)出發(fā)，本文重點(diǎn)研究了鳳眼蓮調(diào)節(jié)富營養(yǎng)化水體反硝化脫氮過程的微生物學(xué)機(jī)制。以反硝化作用中將無機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的幾個關(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，通過研究鳳眼蓮對富營養(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的水體，說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)一步說明鳳眼蓮根系適合反硝化細(xì)菌形成優(yōu)勢菌群，富集豐富的反硝化細(xì)菌數(shù)量。鳳眼蓮根系對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)富營養(yǎng)化水體過程中產(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)同時證明了反硝化作用的發(fā)生，也說明了鳳眼蓮?fù)ㄟ^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^調(diào)節(jié)反硝化細(xì)菌的物種多樣性和豐度促進(jìn)了水體反硝化過程的基礎(chǔ)上，為了研究水體中環(huán)境因子與鳳眼蓮對反硝化細(xì)菌的共同調(diào)節(jié)作用，從而預(yù)測鳳眼蓮修復(fù)滇池流域水體過程中的脫氮特征及含氮?dú)怏w排放規(guī)律，對滇池流域鳳眼蓮生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過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)重的河流中中生長的鳳眼蓮會利用其自

13、身對污染物質(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)律說明在入湖河流