分層型水庫(kù)水體細(xì)菌群落演變機(jī)制與揚(yáng)水曝氣強(qiáng)化作用研究.pdf

1、針對(duì)分層型水庫(kù)水體細(xì)菌群落在熱分層演化過(guò)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(guò)程

2、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。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴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。⑵探明了水庫(kù)水體細(xì)菌群落碳源代謝活性

3、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(lèi)、胺類(lèi)和糖類(lèi)碳源的代謝能力高于氨基酸類(lèi)、羧酸類(lèi)和醇類(lèi)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。⑶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

4、。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

5、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1.281 mg/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。⑷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1.15×105 cells/g。PCR-DGGE檢測(cè)

6、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。⑸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

7、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。⑹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(yú)等標(biāo)準(zhǔn)受試物的生態(tài)、生物