【摘要】：針對(duì)分層型水庫(kù)水體細(xì)菌群落在熱分層演化過程中的自然演替特征以及揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)水體熱分層狀態(tài)破壞下水體細(xì)菌群落的響應(yīng)變化,本研究采用Biolog微平板技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)、PCR-DGGE技術(shù)和流式細(xì)胞術(shù)等方法,結(jié)合水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果,從功能多樣性與結(jié)構(gòu)多樣性的分子生物學(xué)角度揭示了水體細(xì)菌群落在驅(qū)動(dòng)水庫(kù)水體水質(zhì)演變與元素轉(zhuǎn)化中的主要作用以及揚(yáng)水曝氣原位改善水庫(kù)水質(zhì)的生物學(xué)機(jī)制。重點(diǎn)研究了:水庫(kù)熱分層對(duì)水體細(xì)菌群落的影響;水庫(kù)分層演化過程中水體細(xì)菌群落演替特征;周村水庫(kù)沉積物中硫酸鹽還原菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性;揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)水體細(xì)菌群落的調(diào)節(jié)及對(duì)其活性的強(qiáng)化作用。獲得以下主要結(jié)論:(1)水庫(kù)水體熱分層演替造成了水體垂向上微生物棲息地異質(zhì)性。石砭峪水庫(kù)、金盆水庫(kù)和周村水庫(kù)水體細(xì)菌群落在水體分層狀態(tài)下呈現(xiàn)出分層性差異,厭氧水體多樣性指數(shù)高于好氧水體。水體細(xì)菌群落分層性差異與水體溶解氧、溫度、pH及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的垂向梯度具有一致性。(2)探明了水庫(kù)水體細(xì)菌群落碳源代謝活性的變化特征:水體在混合狀態(tài)下,細(xì)菌群落對(duì)主要碳源的代謝能力處于同一水平;水體分層后,對(duì)酯類、胺類和糖類碳源的代謝能力高于氨基酸類、羧酸類和醇類碳源,細(xì)菌群落的碳源代謝平衡被破壞;由于表層與底層水體之間的功能多樣性差異,分層期水體整體碳源代謝活性低于混合期,底層總有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)積累。結(jié)果表明水體分層會(huì)降低微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解能力。(3)水體在混合狀態(tài)下,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成在垂向上保持均一,變形菌(Proteobacteria)為最優(yōu)勢(shì)的種群之一。水體在分層狀態(tài)下,垂向產(chǎn)生結(jié)構(gòu)差異:藍(lán)藻細(xì)菌(cyanobacteria)成為表層好氧水體比例最高的種群,并且垂向分布特征與水體ph梯度相對(duì)應(yīng);變形菌在周村水庫(kù)底層厭氧水體中爆發(fā),最高比例達(dá)到80.7%,主要原因是由于沉積物污染釋放進(jìn)入底層水體造成的水質(zhì)惡化。周村水庫(kù)參與地球生物化學(xué)循環(huán)的種群伴隨水體分層狀態(tài)顯示出周期性演替特征:分層期水體中參與氮元素、硫元素的細(xì)菌種群比例增加;厭氧水體中以甲基暖菌屬(methylocaldum)、甲基單胞菌屬(methylomonas)為代表的參與甲烷循環(huán)種群比例增加;硫酸鹽還原菌比例在底層水體上升至5.1%,底層水體中硫化物含量上升至1.281mg/l,兩者變化具有一致性。結(jié)合水質(zhì)變化數(shù)據(jù),溶解氧、ph等環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成起到了重要作用。(4)周村水庫(kù)主庫(kù)區(qū)沉積物具有較高的有機(jī)質(zhì)含量和硫化物含量,酸揮發(fā)性硫化物濃度在最深點(diǎn)達(dá)到205.9μg/g,硫酸鹽還原菌最高數(shù)量達(dá)到1.15×105cells/g。pcr-dgge檢測(cè)結(jié)果表明硫酸鹽還原菌優(yōu)勢(shì)種群為脫硫桿菌屬(desulfobacterium)和脫硫葉菌屬(desulfobulbus),對(duì)水體中硫酸鹽還原菌的優(yōu)勢(shì)種群起到?jīng)Q定作用。沉積物中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量是決定硫酸鹽還原菌多樣性的主要理化性質(zhì)因素之一。(5)揚(yáng)水曝氣作用使得水體細(xì)菌群落分層性差異消失,各細(xì)菌種群比例在垂向上趨于均一:混合充氧作用對(duì)表層水體藍(lán)藻細(xì)菌及底層厭氧型細(xì)菌種群具有明顯的削減作用,其中金盆水庫(kù)表層水體藍(lán)藻細(xì)菌由運(yùn)行前47.4%削減至運(yùn)行后不足5%;水質(zhì)改善效果對(duì)底層水體中變形菌的爆發(fā)有抑制作用;周村水庫(kù)底層硫酸鹽還原菌比例削減78.8%,硫化物削減98.3%。揚(yáng)水曝氣強(qiáng)化脫氮菌效果顯著:金盆水庫(kù)運(yùn)行后具有好氧反硝化潛能的種群總比例上升到14.9%;假單胞菌屬(pseudomonas)等典型好氧反硝化種群比例上升顯著;周村水庫(kù)底層水體溶解性總氮削減86.1%,脫氮效果顯著。揚(yáng)水曝氣對(duì)細(xì)菌群落代謝活性具有明顯的提升作用:在運(yùn)行后水體細(xì)菌群落對(duì)碳源代謝能力恢復(fù)平衡基礎(chǔ)上,總代謝活性上升;對(duì)糖類、胺類的利用程度大幅度增加,對(duì)d-木糖、α-d-乳糖等多類單一碳源的代謝活性增幅超過100%;水體中總有機(jī)質(zhì)削減32%,有機(jī)污染物得到更有效的降解。揚(yáng)水曝氣運(yùn)行后明顯改變的溶解氧、ph和總磷等環(huán)境因子是提升細(xì)菌群落碳源代謝活性的主要因素。(6)針對(duì)課題組篩選出的好氧反硝化菌劑,診斷了高效菌株對(duì)發(fā)光細(xì)菌、斑馬魚等標(biāo)準(zhǔn)受試物的生態(tài)、生物安全性。結(jié)果表明:好氧反硝化菌數(shù)量的增加不會(huì)破壞水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài);高效菌株不會(huì)對(duì)飲用水水質(zhì)安全產(chǎn)生威脅;對(duì)水生生物不會(huì)產(chǎn)生毒性及致病性影響。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X524
【圖文】：

2.2.2 采樣點(diǎn)布置本研究在石砭峪水庫(kù)主庫(kù)區(qū)水深最大區(qū)域設(shè)置 2 個(gè)平行采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)之間距離間隔 300 米，分別為采樣點(diǎn) S1、S2，如圖 2.1 所示。

圖 2.1 石砭峪水庫(kù)主庫(kù)區(qū)采樣點(diǎn)布置示意圖本研究在金盆水庫(kù)主庫(kù)區(qū)水深最大區(qū)域設(shè)置 3 個(gè)平行采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)之間間隔 300 米，分別為采樣點(diǎn) A（34o02'45"N，108o12'25"E）、B（34o02'388o12'14"E）、C（34o02'47"N, 108o12'15"E），如圖 2.2 所示。

解氧梯度更加明顯，至水深 10.53m 以下溶解氧含量便處于 3 mg/L 以下的低溶解氧狀態(tài)，在底部 25.32m 水深以下的溶解氧在水體以及沉積物的雙重耗氧作用下形成厭氧環(huán)境。與此同時(shí)，底部厭氧環(huán)境促進(jìn)了沉積物中磷元素的釋放，致使底部水體總磷含量升高，如圖 2.3（D）所示。至此得出，石砭峪水庫(kù)水體由 2014 年 月 16 日至 6 月 16 日本研究的兩次采樣日期間完成穩(wěn)定熱分層。

本文編號(hào)：2768230