紅樹林人工濕地對(duì)生活污水的凈化效率及基質(zhì)微生物結(jié)構(gòu)與功能多樣性研究.pdf

1、人工濕地是上世紀(jì)興起的廢水處理工藝，在世界范圍內(nèi)廣泛建立用于生活、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)及礦業(yè)的污水處理，并獲得了良好的凈化效率，但人們對(duì)其凈化機(jī)理，特別是基質(zhì)微生物的結(jié)構(gòu)功能還知之甚少；紅樹林是生長(zhǎng)于熱帶亞熱帶海域且具有較強(qiáng)凈化功能的多年生木本植物，是適于構(gòu)建人工濕地的植物，但目前對(duì)紅樹林的應(yīng)用仍處于可行性研究階段，對(duì)不同紅樹植物凈化能力的比較研究也較少，迄今為止還未見生長(zhǎng)迅速的紅樹種海桑用于人工濕地的相關(guān)報(bào)道。為此，本論文的研究目的

2、是：監(jiān)測(cè)野外實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下紅樹林人工濕地對(duì)生活污水的凈化效率，探討紅樹林作為人工濕地植物的可行性；研究基質(zhì)微生物結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化規(guī)律，較全面、深入了解濕地系統(tǒng)內(nèi)部污水生物凈化機(jī)制，豐富微生物生理生化等方面的信息，為揭開濕地凈化機(jī)理奠定一定的理論基礎(chǔ)。 本研究以紅樹林人工濕地上行流系統(tǒng)為研究對(duì)象，圍繞人工濕地凈化效率及基質(zhì)微生物結(jié)構(gòu)功能多樣性展開相關(guān)研究。在較大規(guī)模、較長(zhǎng)時(shí)間跨度上研究了紅樹林人工濕地的凈化效率，肯定了紅樹林作為人

3、工濕地植物的可行性；將磷酯脂肪酸(PLFA)等方法引進(jìn)到濕地微生物生態(tài)研究中，較為系統(tǒng)全面地研究了基質(zhì)微生物的結(jié)構(gòu)、功能的分布變化規(guī)律，探討基質(zhì)微生物結(jié)構(gòu)、功能與濕地凈化效率的相關(guān)性。本研究的主要成果如下： 1.建立了占地約400m2的福田紅樹林人工濕地中試系統(tǒng)，系統(tǒng)由三條結(jié)構(gòu)相同的帶(長(zhǎng)*寬*高：33cm*3m*0.5m)構(gòu)成，濕地內(nèi)分別種有3種紅樹植物(外來(lái)種海桑和本地種秋茄、桐花樹)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)于2006年4年正式開始，持

4、續(xù)時(shí)間約兩年。在水力負(fù)荷為5 m3d-1belt-1，停留時(shí)間約3天的運(yùn)行參數(shù)下，各濕地帶對(duì)COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、SP的平均去除率分別為65％、74％、53％、52％、67％、70％。不同紅樹植物濕地帶的去除能力不同，且去污效率與植物生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，在濕地運(yùn)行初期，海桑由于生長(zhǎng)速度顯著大于秋茄、桐花，海桑濕地帶的除污能力最強(qiáng)；在2006年10月，保護(hù)區(qū)為了防除外來(lái)植物薇甘菊，全面噴灑化學(xué)試劑，海桑受到化學(xué)試劑的影響

5、，至2007年4月死亡一半，剩余存活的海桑也因此而生長(zhǎng)不良，使得此后海桑濕地帶的去污能力較差，但桐花樹和秋茄生長(zhǎng)不受影響，且桐花樹濕地帶對(duì)有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效率顯著高于其它濕地植物帶(P＜0.05)。人工濕地對(duì)腸道菌群的去除率均高于80％，不同植物帶之間無(wú)顯著差異(P＞0.05)，但出水中的菌體數(shù)量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，故人工濕地若用于腸道菌的去除應(yīng)與其它措施(如氯化等)結(jié)合起來(lái)。二年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：三條紅樹植物濕地帶的去污能

6、力較穩(wěn)定，紅樹林是比較理想的人工濕地植物，雖然在濕地運(yùn)行初期，外來(lái)種海桑由于生長(zhǎng)速度最快而獲得較好的去污效率，但由于其對(duì)化學(xué)試劑、低溫等不良環(huán)境敏感，生長(zhǎng)不穩(wěn)定，故需要進(jìn)一步的研究其作為人工濕地植物的可行性。 2.研究了人工濕地中試系統(tǒng)中基質(zhì)表層(0-5cm)的生物化學(xué)活性，發(fā)現(xiàn)微生物生物量碳在近入水口之處含量較高，在溫度較高的運(yùn)行階段(2007年8月)高于溫度較低的運(yùn)行階段(2006年11月和2007年12月)，且桐花樹濕地帶基質(zhì)中的

7、含量顯著高于其它兩條濕地帶；海桑濕地帶基質(zhì)微生物的呼吸強(qiáng)度和代謝系數(shù)均高于其它濕地帶，代謝系數(shù)在遠(yuǎn)離入水口之處較高，可能與此處營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少，微生物易受到營(yíng)養(yǎng)脅迫有關(guān)。 3.磷酯脂肪酸結(jié)果分析表明中試系統(tǒng)表層基質(zhì)中主要由分支或不分支飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、雙不飽和脂肪酸組成，其中，細(xì)菌和真菌脂肪酸較多，放線菌脂肪酸含量很少，且細(xì)菌脂肪酸含量顯著高于真菌脂肪酸含量，各種類型的脂肪酸含量一般隨濕地運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)而穩(wěn)定增長(zhǎng)；某些特

8、征脂肪酸比值也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，如G+/G-、monounsat/sat比值隨濕地運(yùn)行時(shí)間而逐漸增大，脂肪酸圖譜的變化特征說(shuō)明此人工濕地基質(zhì)中微生物結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，整個(gè)濕地系統(tǒng)漸趨成熟。主成分分析表明，PC1方向微生物群落分離的脂肪酸主要來(lái)自于革蘭氏陰性菌(14：1，15：1，17：1)、革蘭氏陽(yáng)性菌(i17：0)、真菌(18：2ω6,9)和18：1ω9c，負(fù)責(zé)PC2方向微生物群落分離的脂肪酸主要來(lái)自于飽和脂肪酸(16：0，17：0和1

9、8：0)。 4.研究了人工濕地中試系統(tǒng)表層基質(zhì)中酶活性的時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)果表明7種酶活性(纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、脲酶、芳基硫酸酯酶、磷酸酶和脫氫酶)在不同植物濕地帶、不同運(yùn)行時(shí)間、不同水平距離存在顯著差異。除蛋白酶外，基質(zhì)酶活性在溫度較高的運(yùn)行階段(2007年8月)高于溫度較低的運(yùn)行階段(2006年11月和2007年12月)；不同植物濕地帶的酶活性隨植物長(zhǎng)勢(shì)變化，在海桑生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，海桑濕地帶內(nèi)的基質(zhì)酶活性高于其它兩條濕地帶

10、，但當(dāng)海桑受到化學(xué)試劑的影響生長(zhǎng)受限時(shí)，基質(zhì)酶活性相應(yīng)降低，而桐花樹濕地帶由于植物生長(zhǎng)穩(wěn)定旺盛，基質(zhì)酶活性較高；基質(zhì)酶活性一般隨著水平距離的增加而活性降低。 基質(zhì)酶活性與濕地凈化效率顯著相關(guān)，其中有機(jī)物(BOD5和CODcr)和總氮的去除率與酶活性的相關(guān)性顯著，而磷的去除率與酶活性的相關(guān)不顯著，這可能是因?yàn)槲鬯械挠袡C(jī)磷含量較少所致。 5.模擬中試系統(tǒng)建立了24個(gè)人工濕地小試系統(tǒng)(長(zhǎng)*寬*高：50cm*35cm*25

11、cm)，分為污水處理組和自來(lái)水處理組，各實(shí)驗(yàn)組又分為種植紅樹植物濕地和不種植物的空白對(duì)照濕地，結(jié)果表明污水的排入、植物的存在利于基質(zhì)微生物的生存和功能發(fā)揮。相對(duì)于僅有自來(lái)水處理的濕地系統(tǒng)，污水排入使得基質(zhì)中微生物生物量碳、各種脂肪酸的含量、酶活性(纖維素酶除外)增大，但代謝系數(shù)、特征脂肪酸比值，如G+/G-和Fungi/bacterial在自來(lái)水處理系統(tǒng)中較高。一般來(lái)講，隨著基質(zhì)深度的增加，微生物生物量碳減少，酶活性降低，脂肪酸總量也相