紅樹林人工濕地對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，但人們對其凈化機理，特別是基質(zhì)微生物的結(jié)構(gòu)功能還知之甚少；紅樹林是生長于熱帶亞熱帶海域且具有較強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，但目前對紅樹林的應用仍處于可行性研究階段，對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迅速的紅樹種海桑用于人工濕地的相關(guān)報道。為此，本論文的研究目的

2、是：監(jiān)測野外實際運行狀態(tài)下紅樹林人工濕地對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)部污水生物凈化機制，豐富微生物生理生化等方面的信息，為揭開濕地凈化機理奠定一定的理論基礎。 本研究以紅樹林人工濕地上行流系統(tǒng)為研究對象，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、較長時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*寬*高：33cm*3m*0.5m)構(gòu)成，濕地內(nèi)分別種有3種紅樹植物(外來種海桑和本地種秋茄、桐花樹)，數(shù)據(jù)監(jiān)測于2006年4年正式開始，持

4、續(xù)時間約兩年。在水力負荷為5 m3d-1belt-1，停留時間約3天的運行參數(shù)下，各濕地帶對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狀況密切相關(guān)，在濕地運行初期，海桑由于生長速度顯著大于秋茄、桐花，海桑濕地帶的除污能力最強；在2006年10月，保護區(qū)為了防除外來植物薇甘菊，全面噴灑化學試劑，海桑受到化學試劑的影響

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不受影響，且桐花樹濕地帶對有機物、營養(yǎng)鹽的去除效率顯著高于其它濕地植物帶(P＜0.05)。人工濕地對腸道菌群的去除率均高于80％，不同植物帶之間無顯著差異(P＞0.05)，但出水中的菌體數(shù)量仍然遠遠高于國家污水排放標準，故人工濕地若用于腸道菌的去除應與其它措施(如氯化等)結(jié)合起來。二年的監(jiān)測數(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，雖然在濕地運行初期，外來種海桑由于生長速度最快而獲得較好的去污效率，但由于其對化學試劑、低溫等不良環(huán)境敏感，生長不穩(wěn)定，故需要進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，在溫度較高的運行階段(2007年8月)高于溫度較低的運行階段(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)微生物的呼吸強度和代謝系數(shù)均高于其它濕地帶，代謝系數(shù)在遠離入水口之處較高，可能與此處營養(yǎng)物質(zhì)較少，微生物易受到營養(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，細菌和真菌脂肪酸較多，放線菌脂肪酸含量很少，且細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行時間的延續(xù)而穩(wěn)定增長；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比值隨濕地運行時間而逐漸增大，脂肪酸圖譜的變化特征說明此人工濕地基質(zhì)中微生物結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，整個濕地系統(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自于革蘭氏陰性菌(14：1，15：1，17：1)、革蘭氏陽性菌(i17：0)、真菌(18：2ω6,9)和18：1ω9c，負責PC2方向微生物群落分離的脂肪酸主要來自于飽和脂肪酸(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、不同運行時間、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行階段(2007年8月)高于溫度較低的運行階段(2006年11月和2007年12月)；不同植物濕地帶的酶活性隨植物長勢變化，在海桑生長旺盛時期，海桑濕地帶內(nèi)的基質(zhì)酶活性高于其它兩條濕地帶

10、，但當海桑受到化學試劑的影響生長受限時，基質(zhì)酶活性相應降低，而桐花樹濕地帶由于植物生長穩(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，這可能是因為污水中的有機磷含量較少所致。 5.模擬中試系統(tǒng)建立了24個人工濕地小試系統(tǒng)(長*寬*高：50cm*35cm*25

11、cm)，分為污水處理組和自來水處理組，各實驗組又分為種植紅樹植物濕地和不種植物的空白對照濕地，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。相對于僅有自來水處理的濕地系統(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在自來水處理系統(tǒng)中較高。一般來講，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