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富营养化湖泊系统藻类水华与硝化细菌种群作用关系的研究

作　者: 李彬
导　师: 梁运祥
学　校: 华中农业大学
专　业: 发酵工程
关键词: 湖泊富营养化氮素转化硝化细菌 Real-time PCR 竞争抑制
分类号: X172
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

湖泊的富营养化已成为目前世界水环境工作者面临的重大问题,对其发生机制的研究一直是水污染领域的研究热点,本课题拟通过研究藻类与硝化细菌的相互关系来说明湖泊富营养化的发生机制。1.自然湖泊水体主要的研究结果如下：(1).紫阳湖经过长期治理,生态系统保持基本平衡,各水质指标均维持在Ⅳ类水平,即使温度较高的7、8月份,也不会发生藻华现象,NH4+-N和NO3--N在入冬均出现累积,而夏天检测不到NO3--N,硝化细菌定量的结果显示,氨氧化细菌(AOB)在7月份维持在较低水平,约1.82×102CFU/mL,而在进入9月份之后,剧增至9.9×103CFU/ml,呈现数量级的增加,而硝化杆菌的增长滞后一个月,但从1月份开始,由于温度急剧降低,各菌数均开始出现减少,菌量的变化是对NH4+-N和NO3--N冬季积累的可能性解释。(2).水果湖是东湖的小湖湾区,为重度富营养化水体,水质为劣V类。NH4+-N含量持续较高,平均5.44 mg/L,进入六月份以后,叶绿素水平剧增,形成暴发性水华,NH4+-N在水华期间大幅度降低,6-8月份,均为1 mmg/L-2 mg/L,而细菌定量结果显示：AOB及硝化杆菌在这一时期均有所减少,并处在所有月份中的最低水平,夏末秋初为氨氧化和亚硝酸氧化细菌生长的最佳时期,分别增至105和107CFU/ml。(3).菱角湖水生植物过度生长,内源污染严重,为富营养化水体,在夏末秋初形成暴发性水华。氮素监测发现,与紫阳湖类似,NH4+-N在11月份开始增长,NO3--N也在1月份逐渐升高至最高值0.39 mg/L,而在进入6月份,N03--N呈现一年中最低水平,几乎检测不到,这与往年同比趋势相同。从叶绿素含量及细菌定量结果的对照中可以看出明显的负相关,每种菌都在温度急剧升高,藻类旺盛繁殖的6月份急剧减少,而在10月份之后开始出现增殖,由此可得出结论,三个湖泊的共同点显示藻类的增殖抑制了硝化细菌的生长及活性。2.实验室模拟实验结果显示：自然环境模拟藻菌共存体系,光照条件下,NH4+-N迅速降低,6天之内从5.52mg/L降至0,而未出现NO2--N和NO3--N的积累,黑暗条件下,氨氮先略微上升后逐渐下降,并同时出现NO2--N的增长,由0.04升至3.89mg/L；纯培养条件下模拟藻菌共存体系,光照组NH4+-N在20 d内从30 mg/L降至7 mg/L,其他各氮素指标均维持初始值,黑暗组的NH4+-N在前13d几乎没有变化,而在第17 d,出现NH4+-N的逐渐降低,NO2--N从0增至14mg/L,接着NO2--N在第27 d全部转化为N03--N。因此不管是自然环境的模拟,还是经过灭菌接种的纯培养环境,结果一致说明：光照条件下,藻类的生长及增殖抑制了硝化作用,而在黑暗条件下硝化细菌的活性高,氮素转化率快。通过三个自然湖泊中对菌量及叶绿素的监测发现,藻类的生长抑制了硝化细菌的增殖,这在模拟实验中也同样得到了验证,因此,对自然水体中出现的规律,其原因的推论是成立的,这也为湖泊治理过程遇到的各种难题以及微生态制剂的高效利用提供了理论上的依据。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
1 前言  10-22
  1.1 湖泊富营养化形成机理及其防治  10-12
  1.2 湖泊水体氮素循环与硝化细菌关系  12-17
    1.2.1 微生物驱动的氮素循环  12-14
    1.2.2 硝化细菌的作用及其重要性  14-17
      1.2.2.1 硝化细菌的生理生态特性  14
      1.2.2.2 硝化细菌的种群分布及分类学概述  14-16
      1.2.2.3 硝化细菌种群分布研究进展  16-17
  1.3 湖泊水华与细菌的关系研究现状及存在问题  17-20
    1.3.1 国内外湖泊水体藻菌关系研究  17-19
    1.3.2 本课题所涉问题及科学意义  19-20
  1.4 本课题主要研究内容及路线  20-22
2 实验材料和方法  22-35
  2.1 实验材料  22-24
    2.1.1 环境样品的采集  22
    2.1.2 "微宇宙"藻种及菌种来源  22
    2.1.3 试剂及试剂盒  22-23
    2.1.4 培养基  23-24
    2.1.5 主要仪器设备  24
  2.2 实验方法  24-35
    2.2.1 自然湖泊水体连续性监测  24-26
    2.2.2 自然湖泊水体硝化细菌定量分析  26-33
      2.2.2.1 Real-time PCR定量分析技术  26-27
      2.2.2.2 Real-time PCR方法对氨氧化细菌追踪定量  27-32
      2.2.2.3 Real-time PCR方法对硝化杆菌及硝化螺菌追踪定量  32-33
    2.2.3 "微宇宙"模拟实验  33-35
      2.2.3.1 自然水体模拟藻菌共生关系  33-34
      2.2.3.2 纯培养条件模拟藻菌共生关系  34-35
3 结果与分析  35-48
  3.1 自然湖泊水体水质指标变化及定量结果分析  35-43
    3.1.1 紫阳湖各氮素及叶绿素变化规律分析  35-37
    3.1.2 紫阳湖硝化细菌定量结果分析  37-38
    3.1.3 水果湖各氮素及叶绿素变化规律分析  38-39
    3.1.4 水果湖硝化细菌定量结果分析  39-40
    3.1.5 菱角湖各氮素及叶绿素变化规律分析  40-41
    3.1.6 菱角湖硝化细菌定量结果分析  41-43
  3.2 "微宇宙"实验结果分析  43-48
    3.2.1 自然水体模拟藻菌共生关系  43-45
      3.2.1.1 水样中NH_4~+-N随时间的变化  43
      3.2.1.2 水样中NO_2~--N和NO_3~--N随时间的变化  43-45
      3.2.1.3 水样中TN随时间的变化  45
    3.2.2 纯培养条件模拟藻菌共生关系  45-46
    3.2.3 氨氮的补加实验结果分析  46-48
4 总结与讨论  48-52
  4.1 自然湖泊水体藻类与硝化细菌的相互关系  48-49
  4.2 模拟体系藻类的生长抑制硝化作用  49-50
  4.3 研究结果对湖泊景观水体治理的意义  50-52
参考文献  52-58
附录  58-60
致谢  60

富营养化湖泊系统藻类水华与硝化细菌种群作用关系的研究

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