【摘要】：溶解氧是水生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的元素,與其他參數(shù)相比,溶解氧更能反映水生態(tài)系統(tǒng)中新陳代謝的情況。沉積物是水體中物質(zhì)與能量代謝的重要場(chǎng)所,它包含眾多的微生物種群以及各種化合物,氧環(huán)境決定了物質(zhì)在沉積物中的賦存形態(tài)與最終歸趨。沉積物中的溶解氧主要來(lái)源于上覆水體的傳遞,而沉積物-水界面(sediment-water interface,SWI)是氧傳遞發(fā)生的重要區(qū)域。論文采用渦度相關(guān)法,測(cè)試了不同水體水動(dòng)力條件下SWI氧通量,探索了水動(dòng)力條件對(duì)SWI氧通量的影響。基于測(cè)得的通量結(jié)果,結(jié)合沉積物氧剖面分析和沉積物氧利用速率以及實(shí)驗(yàn)前后Fe~(2+)、Mn~(2+)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,計(jì)算了沉積物生物耗氧量與化學(xué)耗氧量,探究了沉積物耗氧機(jī)制,建立了水體水動(dòng)力條件對(duì)SWI氧通量與沉積物耗氧量之間的響應(yīng)關(guān)系,獲得了SWI氧通量產(chǎn)生機(jī)制。同時(shí)利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)裝置內(nèi)沉積物進(jìn)行測(cè)試,從微生物分子生物學(xué)的角度分析了沉積物中可能消耗溶解氧的相關(guān)功能菌的信息。論文的研究結(jié)論如下:(1)不同水動(dòng)力條件對(duì)SWI溶解氧濃度有影響。當(dāng)水體平均流速較低(對(duì)應(yīng)平均流速為0.00m/s、0.03m/s)時(shí),SWI溶解氧濃度既可圍繞平均值上下波動(dòng),也可緩慢上升,或者兩者兼有。當(dāng)水體平均流速較高(對(duì)應(yīng)平均流速為0.07m/s、0.12m/s、0.20 m/s)時(shí),SWI溶解氧濃度隨水體平均流速的加快不斷上升。(2)SWI氧通量與垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)受水體水動(dòng)力條件的影響明顯,隨水體平均流速的上升而上升。實(shí)驗(yàn)在平均流速為0.00m/s時(shí)獲得SWI氧通量與垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的最小值,平均值分別為1.197±0.121mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.859×10~(-9)±8.716×10~(-11)m~2·s~(-1);在平均流速為0.20m/s獲得SWI氧通量與垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的最大值,平均值分別為43.981±1.326mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.137×10~(-6)±7.299×10~(-8)m~2·s~(-1)。(3)SWI氧通量與垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)隨水體水動(dòng)力條件改變的變化趨勢(shì)一致,可劃分為三階段。第一階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由分子擴(kuò)散決定,水體由靜止開(kāi)始緩慢流動(dòng),氧通量較小。第二階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由渦動(dòng)擴(kuò)散決定,水體流速加快,清晰穩(wěn)定的泥水界面消失,沉積物開(kāi)始懸浮,氧通量增長(zhǎng)較快。第三階段,SWI中的氧傳質(zhì)主要由渦動(dòng)擴(kuò)散決定,水體流速進(jìn)一步加快,SWI表層沉積物完全懸浮,上覆水變得渾濁,氧通量達(dá)到最高值。(4)沉積物中的溶解氧主要來(lái)自大氣復(fù)氧,運(yùn)用質(zhì)量守恒定律,可以建立起單位面積沉積物在計(jì)算時(shí)段內(nèi)SWI氧通量與沉積物耗氧量之間的等式關(guān)系。實(shí)驗(yàn)通過(guò)氧通量傳輸進(jìn)入沉積物的溶解氧總量平均為0.662mmol,沉積物生物耗氧量平均為0.175mmol,占26.4%;化學(xué)耗氧量平均為0.045mmol,占6.8%;氧殘存量增加值平均為0.082mmol,占12.4%;其他耗氧量平均為0.360mmol,占54.4%。(5)水體水動(dòng)力條件通過(guò)決定水體大氣復(fù)氧及復(fù)氧向水下擴(kuò)散的速率,深刻地影響著沉積物所處的氧環(huán)境。當(dāng)水體平均流速較低,沉積物處于缺氧狀態(tài)時(shí),沉積物耗氧量以生物耗氧量為主。當(dāng)水體平均流速較高,沉積物由缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài)時(shí),生物耗氧量減小,化學(xué)耗氧量與其他耗氧量中的化學(xué)過(guò)程耗氧量占沉積物耗氧量的比重逐步提高,且此時(shí)發(fā)生的沉積物再懸浮對(duì)沉積物耗氧量組成影響很大。(6)通過(guò)與Greengene數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比,在L、R兩個(gè)樣品中物種豐度均大于0.5%的物種共有18個(gè)。在兩個(gè)樣品中的平均豐度大于3%的有7門(mén),其中變形菌門(mén)占比最大,為52.54%;其余依次為擬桿菌門(mén)(8.60%)、廣古菌門(mén)(7.56%)、疣微菌門(mén)(5.39%)、綠彎菌門(mén)(4.94%)、硝化螺旋菌門(mén)(4.32%)、酸桿菌門(mén)(3.66%)。(7)變形菌門(mén)是實(shí)驗(yàn)沉積物中豐度最大的細(xì)菌,其功能復(fù)雜,營(yíng)養(yǎng)條件多樣,是控制實(shí)驗(yàn)沉積物環(huán)境、造成沉積物生物過(guò)程與化學(xué)過(guò)程耗氧量的關(guān)鍵菌種。實(shí)驗(yàn)在L、R兩個(gè)樣品中檢測(cè)到變形菌門(mén)下的硫酸鹽還原菌主要有脫硫盒菌目、脫硫桿菌目、脫硫弧菌目、除硫單胞菌目、互營(yíng)桿菌目;檢測(cè)到的具有氨氧化能力的細(xì)菌主要有產(chǎn)堿桿菌科、亞硝化單胞菌科;除產(chǎn)堿桿菌科與亞硝化單胞菌科以外,未檢測(cè)到屬于變形菌門(mén)且具有亞硝態(tài)氮氧化能力的細(xì)菌,硝化螺旋菌門(mén)下的硝化螺旋菌綱在硝化反應(yīng)中占主導(dǎo)地位。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X52;X171.1
【圖文】：

①水體水動(dòng)力條件對(duì) SWI 氧通量大小的影響基于渦度相關(guān)法，利用聲學(xué)多普勒剖面儀和溶解氧微電極測(cè)試并計(jì)算不同水動(dòng)力條件下 SWI 氧通量與垂直渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，探究水體水動(dòng)力條件對(duì) SWI 氧通量大小的影響。②SWI 氧通量產(chǎn)生機(jī)制結(jié)合沉積物氧剖面分析和沉積物氧利用速率以及實(shí)驗(yàn)前后 Fe2+、Mn2+、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，計(jì)算沉積物生物耗氧量與化學(xué)耗氧量，探究沉積物耗氧機(jī)制。由氧的質(zhì)量守恒，建立 SWI 氧通量與沉積物耗氧量之間的響應(yīng)關(guān)系，獲得 SWI 氧通量產(chǎn)生機(jī)制。③沉積物微生物分子生物學(xué)機(jī)理利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)裝置內(nèi)沉積物進(jìn)行測(cè)試，從微生物多樣性方面分析沉積物微生物分子生物學(xué)特征，找出沉積物中可能消耗溶解氧的相關(guān)功能菌的信息。1.3.3 技術(shù)路線研究技術(shù)路線如圖 1.1 所示。

圖 2.1 御臨河研究區(qū)域及采樣點(diǎn)（a）重慶在三峽庫(kù)區(qū)的位置 （b）御臨河在三峽庫(kù)區(qū)的位置 （c）御臨河采樣點(diǎn)位置Fig.2.1 Study area and the sampling sites of Yulin River(a) Location of the Chongqing City in Three Gorges Reservoir (TGR) in China. (b) Location of theYulin River in the TGR. (c) Location of sampling sites in the Yulin River.2.2 采樣點(diǎn)及樣品處理課題組對(duì)御臨河水質(zhì)、水文進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，基本掌握了御臨河周期性的水質(zhì)與水動(dòng)力條件變化的基本規(guī)律�？紤]到取樣的可行性與樣品的代表性，實(shí)驗(yàn)選擇河口斷面設(shè)置取樣點(diǎn)。其理由是，東河、西河斷面上游來(lái)水泥沙含量較少，河床沉積物不多且采樣不便；梅溪、舒家、排花斷面因其河道自然落差較大，流速較快，河床沉積物同樣較少；河口斷面是御臨河回水區(qū)域的起始點(diǎn)，相比上游斷面流速要緩慢些，沉積效應(yīng)更加明顯，采樣相對(duì)方便。同時(shí)，河口附近消落帶受三峽大壩運(yùn)行調(diào)度影響最為明顯，底泥中含有的營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬更多。實(shí)驗(yàn)選擇在泄水期水位較低時(shí)于河口斷面采集實(shí)驗(yàn)底泥沉積物和上覆水。使

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置加工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2.2 所示，該裝置是尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1.2m×1.0m×0.8m 的長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃水槽。在裝置左右各設(shè)置一根鐵架，用于在其中心對(duì)稱設(shè)置兩臺(tái)可調(diào)轉(zhuǎn)速的攪拌轉(zhuǎn)子，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可改變水體平均流速，從而模擬各種水動(dòng)力條件。裝置正中鋪設(shè)有一根速度可調(diào)節(jié)的自動(dòng)往返軌道，并將聲學(xué)多普勒剖面儀固定在軌道下方。在自動(dòng)往返軌道中間還設(shè)置有可伸縮調(diào)節(jié)高度的豎桿，并將溶解氧微電極固定于豎桿上，調(diào)節(jié)豎桿高度使溶解氧微電極探頭位于聲學(xué)多普勒剖面儀正下方。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用聲學(xué)多普勒剖面儀與溶解氧微電極通過(guò)電纜各自連接聲學(xué)多普勒剖面儀主機(jī)及溶解氧微電極主機(jī)，用于將各自信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)并通過(guò)相應(yīng)軟件轉(zhuǎn)變?yōu)樗钄?shù)據(jù)。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理過(guò)篩的底泥沉積物充分混合均勻，平鋪在裝置底部，控制底泥厚度 15cm 左右。鋪設(shè)完畢后，利用虹吸原理將所采上覆水緩慢注入裝置以盡可能避免再次擾動(dòng)底泥沉積物，控制水深 50cm，靜置三天，待水樣澄清后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)上覆水進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果為高錳酸鹽指數(shù) 12mg/L，總氮 1.8mg/L，氨氮 1.6mg/L，總磷 0.1mg/L。

【參考文獻(xiàn)】

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1 李旭光;齊占會(huì);林琳;張U

本文編號(hào)：2778532