氮是造成很多湖泊富營養(yǎng)化的重要原因。來自農(nóng)村、農(nóng)田的面源污染是很多湖泊流域的主要氮污染源,受面源污染影響的入湖河流水質(zhì)特征表現(xiàn)為碳氮比(C/N)較低、硝酸鹽為主要氮存在形態(tài),總氮濃度(10mg L~(-1))遠低于生活污水,屬于低污染水,但是由于入湖河流水量大,其入湖污染負荷很高,對其進行凈化是控制湖泊富營養(yǎng)化的重要內(nèi)容。人工濕地可以通過微生物硝化/反硝化作用將低污染水中的氮進行去除,但是也存在碳源(C源)不足制約反硝化過程的問題。濕地植物能夠通過產(chǎn)生根系分泌物為根際微生物提供能量和營養(yǎng),促進反硝化作用。植物根系分泌物對微生物活性、生物量以及生態(tài)分布的影響已在傳統(tǒng)的植物修復領(lǐng)域(例如,絡合或活化金屬離子促進植物吸收)有很多研究,然而針對無機營養(yǎng)鹽型離子(如NO_3~--N和NH_4~+-N)的研究較少,為了進一步解釋濕地脫氮過程,分析低污染水濕地中植物根系分泌物對脫氮過程的影響,本論文主要從以下幾個方面進行了研究:1.研究了無機氮的存在形態(tài)對濕地植物的生長過程和根系分泌的影響。對比分析NH_4~+-N和NO_3~--N對于蘆葦、香蒲、菖蒲三種挺水植物生長影響。NH_4~+-N和NO_3~--N都能夠滿足植物的生長需要,NH_4~+-N較高時更利于植物生物量增加。同時發(fā)現(xiàn)植物生物量與TN去除具有顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.946,p0.05),而植物種類和水中NH_4~+/NO_3~-均會影響植物根系分泌物組成,有機酸和可溶性糖是分泌物的主要成分,在檢測的6種可溶性糖中葡萄糖、蔗糖和阿拉伯糖的含量較高,而在檢測的9種有機酸中酒石酸和琥珀酸含量較高。2.分析了植物根系分泌物對于反硝化過程的影響。通過測定反硝化過程中反硝化微生物濃度及反硝化作用強度的變化研究了挺水植物根系分泌物對反硝化過程的影響。蘆葦、香蒲、菖蒲三種植物根系分泌物平均釋放速率分別為0.52,0.26和0.60mg g~(-1) DM d~(-1),三種植物根系分泌物作為微生物輔助C源或唯一C源均能促進反硝化菌生長,其中香蒲成分更利于反硝化菌生長和反硝化作用。同時發(fā)現(xiàn)多種環(huán)境因素對根系分泌有影響,植物根系分泌物濃度在水體C/N為10:1時最高,而在相同的C/N下,較高的COD和TN更利于植物生長和分泌物的產(chǎn)生。3.以實際工程為對象,通過反硝化細菌的分析驗證了植物根系分泌物對反硝化過程的影響。以洱海流域鄧北橋濕地為研究對象,通過植物根區(qū)反硝化過程分析,證明了根系分泌物能在低C/N水體中作為反硝化微生物有效C源:其中葡萄糖和蔗糖顯著影響nirS以及nirK基因型微生物數(shù)量,同時蔗糖和草酸顯著影響反硝化菌群落結(jié)構(gòu)。理論上,植物根系分泌物作為C源能夠促進反硝化過程的潛力為156~841 kg NO_3~--N ha~(-1) year~(-1)。4.實驗模擬了根系分泌物促進反硝化過程,分析了強化機理。證明了有機酸和糖能夠促進反硝化脫氮,而氨基酸則不利于氮去除,在添加氨基酸的前提下,TOC含量是影響反硝化過程的關(guān)鍵因子。添加根系分泌物首先能夠促進反硝化菌數(shù)量的提高,且分泌物中包含物質(zhì)種類越多微生物拷貝數(shù)越高,同時分泌物種類影響微生物群落結(jié)構(gòu),有機酸主要影響nirK菌屬,可溶性糖則主要影響nirS菌屬。但是幾種糖及有機酸和微生物間并未發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)性。在反硝化微生物利用C源的過程中,帶有給電子基團的物質(zhì)(如酒石酸)和易降解的物質(zhì)(葡萄糖)更易被反硝化過程利用。5.建立了基于根系分泌物促進脫氮過程的濕地脫氮動力學模型。在低污染水氮轉(zhuǎn)化過程分析的基礎上,依托鄧北橋濕地建立了低污染水脫氮動力學模型,并通過模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比對驗證模型的有效性,模型基本能夠反映濕地出水中幾種氮污染物的的變化趨勢,并在此基礎上將植物根系分泌物指標TOC引入反硝化動力學方程中,進一步提高模型效率,最終得到的模型模擬NH_4~+-N、NO_3~--N、ON的效率系數(shù)值分別為56.4%、61.1%和53.0%。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X703
【文章目錄】：
摘要
Abstract
符號說明
第一章 緒論
    1.1 人工濕地脫氮作用機理研究進展
        1.1.1 氨揮發(fā)
        1.1.2 沉淀及介質(zhì)吸附
        1.1.3 植物吸收
        1.1.4 微生物硝化/反硝化作用
    1.2 根系分泌物的組成和功能
        1.2.1 根系分泌物的組成和釋放
        1.2.2 根系分泌物對土壤物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的影響
        1.2.3 根系分泌物與植物營養(yǎng)吸收
        1.2.4 根系分泌物對微生物的影響
    1.3 影響根系分泌的因素
2含量的影響'>        1.3.1 溫度、光照、pH值、CO₂含量的影響
        1.3.2 養(yǎng)分含量的影響
        1.3.3 根際微生物的影響
    1.4 濕地脫氮過程中有關(guān)植物根系分泌物的研究進展
        1.4.1 根系分泌物抑制硝化作用
        1.4.2 根系分泌物作為C源促進反硝化作用
        1.4.3 根系分泌物影響植物氮吸收
    1.5 研究目標和內(nèi)容
        1.5.1 課題目標與意義
        1.5.2 研究內(nèi)容
        1.5.3 技術(shù)路線圖
第二章 低污染水條件下濕地植物生長與根系分泌物
    2.1 引言
    2.2 材料與方法
        2.2.1 植物采集與培養(yǎng)
        2.2.2 系統(tǒng)搭建及配水
        2.2.3 分泌物樣品收集及水質(zhì)指標測定
        2.2.4 植物生長及吸收情況測定
        2.2.5 植物根系分泌物成分分析
        2.2.6 統(tǒng)計分析
    2.3 結(jié)果與討論
        2.3.1 植物生長
        2.3.2 水體污染物去除研究
        2.3.3 植物氮吸收
        2.3.4 植物凈化含氮污水系統(tǒng)中氮平衡研究
        2.3.5 根系分泌物分析
    2.4 小結(jié)
第三章 根系分泌物對脫氮過程影響分析
    3.1 引言
    3.2 材料與方法
        3.2.1 實驗設計與系統(tǒng)搭建
        3.2.2 反硝化菌富集培養(yǎng)
        3.2.3 根系分泌物做輔助C源對反硝化菌濃度影響
        3.2.4 根系分泌物做C源對反硝化微生物的影響
        3.2.5 根系分泌物做C源對反硝化強度的影響
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 不同種類植物根系分泌物釋放速率
        3.3.2 不同植物根系分泌物成分分析
        3.3.3 根系分泌物做輔助C源對反硝化菌濃度的影響
        3.3.4 不同種類植物根系分泌物做C源對反硝化微生物的影響
        3.3.5 不同植物種類根系分泌物做C源對反硝化作用的影響
        3.3.6 分泌物成分受環(huán)境影響分析
    3.4 小結(jié)
第四章 洱海流域濕地植物根區(qū)反硝化過程分析
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 采樣點及植物采集
        4.2.2 分泌物收集與分析
        4.2.3 DNA提取
        4.2.4 qPCR分析標準曲線的制作
        4.2.5 qPCR分析
        4.2.6 群落結(jié)構(gòu)分析
        4.2.7 數(shù)據(jù)分析
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 濕地運行情況分析
        4.3.2 分泌物成分分析
        4.3.3 反硝化菌定量分析
        4.3.4 反硝化菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)分析
        4.3.5 反硝化微生物與分泌物相關(guān)性分析
    4.4 小結(jié)
第五章 根系分泌物促進反硝化過程機理研究
    5.1 引言
    5.2 材料與方法
        5.2.1 實驗設計
        5.2.2 采樣及水質(zhì)測定
        5.2.3 反硝化菌定量及群落結(jié)構(gòu)分析
        5.2.4 數(shù)據(jù)分析
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 污染物去除情況分析
        5.3.2 反硝化菌定量分析
        5.3.3 反硝化菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)分析
        5.3.4 低分子有機碳物質(zhì)降解及與反硝化微生物的相關(guān)性分析
    5.4 小結(jié)
第六章 濕地處理低污染水氮轉(zhuǎn)化過程分析
    6.1 引言
    6.2 濕地處理低污染水氮轉(zhuǎn)化過程
        6.2.1 人工濕地中氮物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化及質(zhì)量平衡方程
        6.2.2 根系分泌物在低污染水氮轉(zhuǎn)化過程中作用
    6.3 低污染水人工濕地脫氮動力學模型的構(gòu)建
        6.3.1 Stella建模
        6.3.2 氮去除動力學模型參數(shù)率定
        6.3.3 模型的驗證
        6.3.4 TOC作為反硝化過程參數(shù)改良模型
    6.4 小結(jié)
第七章 總結(jié)與建議
    7.1 結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文

【參考文獻】

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本文編號：2863165