（环境工程专业论文）秦淮河底栖微生物特征及其与水质关系研究.pdf

摘要 摘要 随着城市化进程的加快，城市河流污染加剧。由于水体水质与底栖微生物之 间具有相互影响关系，底栖微生物对水质污染具有一定的指示作用。本论文以南 京市秦淮河为例，在野外调查的基础上，分析了水质和底栖微生物的时间和空间 变化特征，研究了秦淮河底栖微生物与水质的关系。全文具体内容如下： ( 1 ) 对秦淮河进行了为期一年的水质调查，分析了其总体污染特征及各季节、 各河段的污染状况。结果表明：秦淮河水体水质未达到其环境功能规划的类水 标准，主要污染物为n ，且以n h 3 n 为主要污染形态，而高锰酸盐指数及t p 含 量达标；从季节变化看，秋季水质最好，冬季水质最差；不同河段水质的空间变 化表明，入河口区水质最差，自然河段水质最好。 ( 2 ) 对秦淮河进行了为期一年的底栖微生物调查，分析了底栖微生物特征。 结果表明：在秦淮河所监测的几种底栖微生物中，细菌数量最多，平均达到了1 0 7 数量级；氮素循环菌中氨化菌数量最多，而亚硝化菌最少；底栖微生物数量的季 节变化春夏季数量较多，秋季数量相对较少，冬季数量最少；底栖微生物数量在 入河口区最少，而在自然河段最多。 ( 3 ) 研究了秦淮河水质与底栖微生物关系。结果表明：水质状况较好的自然 河段底栖微生物数量最多，水质最差的入河口区底栖微生物数量最少，并且冬季 底栖微生物数量也最少，水质与底栖微生物数量之间呈现一定的负相关；相关性 分析也表明：底栖微生物数量与综合污染指数呈负相关：并且，可以考虑以底栖 固氮菌作为指示秦淮河综合污染程度的底栖微生物；而固氮菌和放线菌可分别作 为指示秦淮河春季和夏季综合污染程度的底栖微生物；氨化菌可作为指示自然河 段综合污染程度的底栖微生物。 关键词：秦淮河；底栖微生物；水质；相关性；城市河流 a b s t 忸d a b s t r a c t 触o n gw i t h u r b 锄i z e da d v 卸c e m e n t s p e e d i n gu p ， u r b 锄r i v e r p o l l u t i 册 a g g r a v a t i n g ，b e c a u s ew a t e rq u a l i t y 觚dt h eb e n t h i cm i c r 0 0 r g 鲫i s mi n f l u e n c e se a c h 0 t h e r ，t l i eb e n t h i cm i c r 0 0 唱a n i s m0 f t 明h a sc e n a i ni n s t n l c t i o nf i l n c t i o nt ot h ew a t e r p o l l u t i o n ，t h ep a p c rt a k e sq i n h u a if i v c r 弱觚c x a m p l e ，i nt h cf o u n d a t i o no fo p e n c o u n t 巧i n v e s t i g a t i o n ，姐a l y z e dt h ct i m c 觚dt h es p a t i a lv a r i a t i o nc h 撒c t 撕s t i c0 fw a t e r q u a l i t y 锄dt h eb c n t i l i c m i a 舯r g 觚i s m ， s t u d i e dt h cc o r r e l a t i o no fb e n t h i c m i c 瑚r g a i l i s ma n dw a t c rq u a l i t yi i iq i n h u a ir i v e r t h es p c c i f i cd e t a i l so ff u l lt c x t i n c l u d e ： ( 1 ) w ec a | 面e d 伽w a t e rq u a l i t y 嘶e s t i g a t i o nf o r cy e a ri i lq i n h u a ir i v c r ， 觚a 1 ) r z c dt h cc h a r a c c e r i s t i co fw a t c fq u a l i t y ，p o l l u t i o n0 fv 撕o u ss e a 嬲，v a r i o u s s e c t i o 璐0 fr i v c r r c s u l ti n d i c a t e d ：w a t c fq u a l i t yo fq i i i h u a jr i v c rh 弱n o ta c h i e v e di t s e n v i 阳n m e n tf i i n c t i o np l 柚s t a n d a r d ，t h em a i np o l l u t a n ti st l l cn ，a n dp r i m a r i i yb y n h 3 一n ，b u tc o d 蚰d 田h a s a t t a i n e dt h es t a n d a r d ；l 0 0 k e d 劬mw a t e rq u a l i t yo ft h c d i f 诧r c n ts e 筋o nt h a tw a t e rq u a l i t yi sb e s ti n 硼t u m n ，、o r s ti nw i n t c r ；1 飞ew a t e rq u a l i t y o fd i f 绝r e n ts 瞅i o no fr i v c ri n d i c a t c dt h a tw a t e rq u a l i t yi s 、o r s ti nt h em o u t ha r e ao f r i v e r b e s ti nt h en a t u f a ls c c t i o no fr i v c r ( 2 ) w ec a 玎i c d 伽b c n t h i cm i 啪o r g a n i s mi l i v e s t i g a t i 蚰f o ro n ey e a ri nq i n h u a i r i v e r 觚a i y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e n t h i cm i c 咖r g 姐i s m ，r e s u i ti n d i c a t e d ：i ns c v e m i k i n d0 fb c n t h i cm i c r 0 0 r g 孤i s m sm o n i t o r c di nq i n h u a ir i v e r ，b 拟e r i u mq u a n t i t yi sm o s t e q u a l i ya c h i e v e d1 0 7 m a 舯i t u d e s ，a m o n gt h cm i c 啪r g a n i s ma b o u tn i t r o g e nc y c l c ，t h e q u a n t i t yo fa m m o n i a t e db a c t e r i a i sm o s t ，b u tt h en i t r o s a t i o nb a c t e r i ai sl e 弱t ；t l l e q u a n t i t yo fb e n t h i cm i c f o o r g a n i s mi nd i f f b r c n ts e a s o n ，i n d i c a t e dt h a tt h eq u a n t i t yo f m i c r o o r g a n i s m si sr e l a t i v e l ym o r ei ns p r i n ga n ds u m m e r ，r e l a t i v e i yf e wi na u t u m n ， l e a s ti nw i n t e r ；t h eq u a t i t yo fb e n t h i cm i c r o o r g a n i s mi sl e a s ti nt h em o u t ha r e ao fr i v e f ， b u ti sm o s ti nt h en a t u r a ls e c t i o no fr i v e r ( 3 ) s t u d i e dc o r r e l a t i o no fw a t e rq u a l i t ya n db e n t h i cm i c r o o r g a i l i s mi nq i n h u a i r i v e r ，陀s u l ti n d i c a t e d ：i n 舱t u r a i c t i o no fr i v e rw a t c rq u a l i t yi sb e s t ，t h eq u 锄t i t yo f n b e n t h i cm i c r 0 0 r g a n i s mi sm o s t ，i nm o u t ha r e a0 ff i v e rw a t e rq u a l i t yi sw o f s t ，t h e q u a n t i t y0 fb e n t h i cm i c r 0 0 r g a n i s mi sl e 弱t ，i nw i n t e rw a t e rq u a l i t yi sw o r s t ，t h e q u a n t i t yo fb e n t h i cm i c r o o r g a n i s mi sa l s ol e a s t ，t h u si n d i c a t e dt h a tt h e r ch a san e g a t i v e c o h e l a t i o nb e 锕e e nt h ew a t e rq u a l i t ya n dt h eq u a t i t yo f b 胁t h i cm i c r o o r g a n i s m 1 l l e r e i c v a n ta n a l y s i sa l s 0i n d i c a t e dt h a tt h e r ch a san e g a t i v ec 0 r f e l a t i o nb e t w e e nt h e q u a t i t yo fb e n t h i cm i a o o 唱a n i s m 卸dc o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o ni n d e x ，n i t r o g c n f i ) 【i n g b a c t e r i ac a ni n s 咖c t e dq i n h u a ir i v e rc o m p f e h e n s i v ep o l l u t i o nd e g r e e r e s p e c t i v e l yt h e m t r o g c n - f i x i n gb a c t e r i a ，t h ca c t i 0 姗y c e s 粗dt h e 锄姗i a t e db a c t e r i ac a ni 鸺t n l d e d t h ec o m p r e h e n s i v e p o l l u t i o ni i is p r i n 岛s u m m e r 觚dt h en a t u r a ls e c t i o n0 fr i v e r k e y w o r d s ： q i n h u a ir i v e r ；b 如t h i cm i 啪o r j 弘n i s m ；w a t e rq u a l i t y ；c o r f c l a t i 彻 c o e f ! i c i e l l t ；u r b a nr i v e r m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：翻旺整一坼 6月 ，f 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 翊夔游易月 i fr 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 河流是人类文明的发源地，与人类的生存和发展息息相关。据记载全世界有 一半以上的城市是依临河流而建的，在城市的形成和发展过程中，河流作为重要 的资源和环境载体，关系到城市的生存，制约着城市的发展，它不仅能够调节城 市气候、涵养水源、为微生物提供栖息地。而且在城市的生态建设、经济及社会 的发展中更显示出不可替代的作用。 然而，目前我国城市河流水环境污染问题严重。据记载，全国6 6 9 个城市中， 其中严重缺水的有1 1 0 多个城市，受污染的水体也逐年增加，全国9 0 的城市水 域遭到了前所未有的严重污染【1 ，2 】。城市河流的污染已经严重威胁到人们的正常生 产和生活实践及国家的可持续发展。 底泥是城市河流污染物的重要归宿，水体中的污染物通过向底泥中累积和以 间隙水的方式间接的影响生存于底泥中的微生物的生长繁殖。污染物通过大气沉 降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，所以 说底泥中的污染物来自于水体，是水体污染物的主要归宿之一。同时底泥环境是 河流底泥微生物的重要栖息地。由于底泥中的污染物来自于水体，水质差异会影 响底泥污染的差异，而底泥作为微生物生长的环境，会影响生存于其中的底栖微 生物，另外底泥中含有来自于水体的间隙水，也会对底栖微生物生长产生影响。 因此水体污染会对底栖微生物产生间接影响。 微生物也可以通过自身生命活动对上覆水体水质状况产生间接影响。微生物 作为物质循环和能量流动的主要参与者，具有分解转化污染物的功能，在河流的 生态系统中发挥着非常重要的作用，它可以以底泥中累积的污染物为营养进行新 陈代谢作用，分解转化底泥中的污染物并促使其向水体释放或者厌氧作用将污染 物分解为气体，因此底泥中的微生物与水质存在一种相互的间接影响关系。 由于水体水质与底栖微生物存在的间接相互影响的关系，同时由于城市河流 污染的严重性，在对城市河流水质和底栖微生物调查的基础上开展二者之间的关 系研究具有一定的实际意义。对城市河流水质状况进行调查，可以了解河流的污 河海大学硕士学位论文 染特征，同时，也可以为城市河流污染的治理提供一定的思路和方法指导；对城 市河流底栖微生物特征进行研究，一方面可以了解城市河流的底栖微生物的状况， 另一方面也为解释河流水污染成因提供一定的支持；对底栖微生物特征与水质之 间相关关系进行研究，通过建立底栖微生物特征与河流水质关系，可以实现利用 底栖微生物特征来反映河流综合水质状况的目标，即为河流水质提供指示作用。 1 2 研究现状 基于水质与底栖微生物之间可能存在的间接影响关系的认识，研究现状主要 分为以下三方面：有关城市河流污染特征及主要污染物分析；底栖微生物群落结 构的研究现状；以及底栖微生物和水质之间关系的相关研究。以期从前人的研究 中寻找切入点，并提出本文的研究内容。 1 2 1 城市河流水质特征 目前我国河流的水污染日益严重，据我国国家环保总局发布的2 0 0 6 年中国 环境状况公报显示在国家环境监测网监测的7 4 5 个地表水监测断面中，i 。i i i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。七大水系中， 珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。 太湖、滇池为劣v 类水质，巢湖为v 类水质【3 j 。而比较2 0 0 4 和2 0 0 6 年全国七大 水系水质状况发现i i i i 类水质所占比例呈减少趋势，而劣v 类水质呈上升趋势。 可见我国河流污染之严峻。 城市中小河流的污染尤其严重，随着社会经济的高速发展，人类活动的加剧， 水资源的日益短缺，工业发展伴随着大量人口涌入城市，大量工业废水以及城市 生活污水排入城市河流，城市河流水环境严重的破坏。近年来全国水域的水环境 质量调查统计，流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中有9 3 被污染，其中重污 染和中度污染占7 9 ，“的城市河段为类或v 类水质，而且河流污染也趋向 富营养化的趋势1 4 1 ，如上海市的城市河流苏州河，又称吴淞江，发源于太湖，横 贯整个上海市区中心。2 0 世纪8 0 年代以来，苏州河的水质污染越来越严重。水 体氮磷污染尤其严重，总氮介于8 8 8 3 1 5 0 m l 之间，其中氨氮介于 6 8 5 2 6 7 2 m g l 【5 l ，磷介于0 4 2 1 2 3 m g ，l 之间【6 1 。北京市的长河水系污染也相当 2 第一章绪论 严重，据调查2 0 0 3 年长河水系总氮含量在0 9 7 6 以0 3 m g l 之间变动，平均含量 达到了1 6 3 3 m g l ；总磷含量在0 0 5 2 2 0 2 7 7 5 m l 之间变动，平均达到0 1 5 m g 儿。 2 0 0 4 长河水系全年总氮含量在1 2 8 2 以3 2 9 m g l 之间变动，平均为1 7 0 1 m g l ； 总磷含量在o 0 5 4 加2 2 8 m g l 之间变动，平均含量也达到了o 1 3 7 m g 彬刀。苏州的 城市河道南园河、竹辉河、内城河、薛家河、苗家河和内城河六条河的调查表明 t n 含量平均为7 5 m 班，其中n h 3 n 全年平均为6 7 m g l ，t p 平均为o 5 3 m g l i 剐。 可见城市河流污染之严峻，氮磷污染也已成为城市河流的主要污染物。 1 2 2 微生物群落结构研究现状 学术界对微生物生态结构的研究一开始多针对于土壤中【9 l o 】、水中1 1 1 1 、后来 发展到对一些具有类似净化功能的生物反应器群落结构进行对比研究【1 2 】，再逐渐 发展到对河流湖泊沉积物以及滩涂和河口三角洲沉积物的研究【1 3 j ，研究手段也从 传统微生物培养方法逐渐发展到利用现代的分子生物学技术【1 4 1 5 】。 齐泽民【1 6 1 等通过对苞箭竹根际土壤微生物数量采用平板分析法研究发现苞 箭竹根际土壤细菌、真菌数量显著高于非根际土，而放线菌数量无明显差异。说 明细菌和真菌对于苞箭竹的生长作用很大。吴根福等1 1 3 l 通过对杭州西湖水域氮利 用细菌采用活菌计数法进行培养发现，杭州西湖水域的可培养氨化菌和固氮菌的 年平均值为5 1 0 和2 3 6 c f u m l ，而氨氧化菌、亚硝酸氧化菌、硝酸盐还原菌和脱 氮均的数量分别为8 5 、1 6 、5 8 7 和1 6 m p n m i ，而表层沉积物中这几种微生物的 数量则远远大于水体中的数量，分别为2 2 7 1 0 5 、7 1 0 4 c 兀j 儋干泥和6 8 1 0 3 、 2 3 1 0 5 、1 1 1 旷和1 0 1 1 0 4 m p n g 干泥，由此也说明底泥是微生物的主要栖 息地。从季节变化看，温度较低的1 2 月份、3 月份数量比温度较高的5 月份、1 0 月份高，其表层底泥中可培养异养细菌的季节分布也是冬季高于夏季，由此可见 微生物群落结构是随着季节演替不断变化的。吴根福等【1 7 】还将2 0 0 2 年的调查数 据和疏浚前的疏浚进行了对比，发现疏浚后氨化菌和氨氧化细菌的数量有所减少， 说明疏浚后底泥的有机污染物减少，可供氨化菌利用的有机物的减少造成了氨化 菌数量的降低，从而使得生成的氨盐含量减少，进而使得氨氧化细菌的数量也维 持在较低的水平，证实了疏浚的成效较好，达到了水体净化的目的。因此说明微 生物群落的研究可以在一定程度上反映水质修复工程对水质改善的具体效果。 刘艳芳1 1 8 1 等采用传统微生物方法对滇池底泥中的固氮菌、硝化细菌、亚硝化 3 河海大学硕士学位论文 化细菌种类的分布进行研究发现滇池底泥中固氮菌数量较多的点，硝化菌和亚硝 化菌也数量也较多。为滇池藻类爆发区域以及以微囊藻属c 加c 粥出) 和束丝藻属 似加口咒如d m e ，l d ，1 ) 所产生的“水华”最为严重的现象提供了理论支持。王京法等【1 9 】 认为底泥中细菌数量种类的分布状况有助于了解底泥中c 、n 、p 的循环，同时可 以为水体管理者制定整体的保护及治理措施提供一定的依据，通过对滇池底泥细 菌和放线菌空间分布研究发现，细菌和放线菌在滇池西南的含量比较稳定，而在 东北部的含量比较高，且趋势线震荡较厉害，这和滇池水的流向是从西南流向东 北及滇池常年盛行西南风有一定的关系，通过细菌和放线菌的相关关系分析发现 二者相关性极好，r 2 为l ，说明了环境因素对二者的影响相当。 史春龙【2 0 】通过对南京莫愁湖底泥中的反硝化作用微生物进行的数量及功能 的研究，结果表明不同深度的底泥微生物数量是不一样的，反硝化菌的数量随着 在2 6 c m 范围内深度的增加而增加，8 c m 时有所减少，反硝化菌数量与硝酸盐还 原菌的数量之比是在4 a n 处最高，向下逐渐减少，说明莫愁湖底泥中的反硝化作 用微生物在4 c m 深度处作用最大。而刘国才等1 2 1 l 对池塘沉积物中细菌数量的调查 表明，池塘底泥中的细菌由于受到温度等因素的影响，数量在季节上呈现较大的 波动，冬季数量少夏季数量急剧上升。说明微生物的群落结构受到温度影响变化 较大。p e p t e a 等【2 2 l 研究了r o s u 和i a c l i b 两个湖沉积物中的固氮菌、硝化细菌及 反硝化细菌，认为沉积物中硝化细菌和反硝化细菌存在着复杂的相互关系。 g n o v e s e 等【2 3 1 人报道g a 北i r f i 盐湖底泥中氨化细菌和明胶分解菌相当活跃，而尿 素分解菌只在深层底泥中才能找到。弼z j l o v at h z j l i v a 在研究d 柚u b c 河 c z e c o c l o v a k 断面不同细菌功能类群的数量及分布时发现，氨化细菌及反硝化细菌 的数量上有规律的出现，即只有在糖萝卜收获季节随着大量的有机物排入河道时， 这些细菌的数量也大为增加。波兰的n i e q o l a k l 2 5 】研究认为污染较严重的j e z i o r a m a l y 湖中细菌生理群的数量比j e z i o r a k 贫营养湖的数量大得多，相差几个数量级。 近年来随着分子生物学的发展，分子生态学方法也逐渐从土壤应用于水污染 处理的反应器和湖泊底泥的微生物多样性的分析中【硐，l e n ekr o w 姐等【1 2 】采用 1 6 sr r n a 的p c r d g g e ( 聚合酶链式反应变性梯度凝胶电泳技术) 技术对比了 在处理相同原水的前提下，实际大小的生物曝气池和滴滤池微生物的群落结构和 生物多样性，结果发现滴滤池的生物多样性高于生物曝气池，同时出水水质较好 4 第一章绪论 了生物曝气池，因此说明生物群落结构与水质之间具有一定的关系。瑞典 a n n l 0 u i s e 等【2 7 1 通过对湖泊底泥的研究表明随着深度的增加底泥中细菌的活性 和丰度呈递减趋势，且在所研究的深度范围内细菌的活性普遍都很低。可见利用 分子生物学的方法可以更好的了解微生物的多样性，从而更全面的了解微生物群 落结构。 由于底泥是水体微生物的主要栖息地，底栖微生物以底泥中的污染物质为营 养经过一系列化学反应一部分降解一部分转变成自身细胞的成分，同时由于底泥 中所沉降具体污染物的不确定性一定程度会影响甚至抑制微生物的生长，所以理 论上每一受污染水体底泥的微生物群落结构都是经过了长期适应并逐渐形成的， 并且会随着底泥性质以及外界条件的改变发生适应性的调整，微生物群落结构的 改变，会导致不同功能微生物的配比发生变化，从而造成水体自净功能存在差异。 因此研究底泥中微生物群落结构时空演替不仅能够为了解河流底泥污染修复提供 基础资料，还可以通过了解微生物数量的变化特征了解河流不同时段河流纳污能 力的差异，进而方便管理。 1 2 3 微生物与水体水质关系研究现状 由于微生物对水体污染物的转化和分解作用，因此一定程度上可以说微生物 与水质之间必然存在着某种联系，国内外学者也利用两者之间的这种关系，利用 水体中的微生物数量来对水质进行评价，水体中的细菌和大肠菌群数量与水质的 关系相对比较明了，王鹏【冽对细菌总数采用污水生物带来划分水质污染程度，总 大肠菌群按照g b 3 8 3 8 8 8 i i i 地表水环境质量标准来评价，建立了水体中细菌总 数和大肠菌群值的水质评价标准，具体见表1 2 1 。王家玲【2 9 1 通过对官厅水库的异 养细菌及大肠菌群的监测，结果表明夏季和冬季微生物数量都较多，夏季值较冬 季值高，并以此说明水库各部分已经不同程度的遭受了严重的污染。李勤生等f 则 表1 2 1 细菌总数和大肠菌群值水质评价标准 对东湖异氧细菌群落结构采用系统分类方法和微机聚类分析做了比较研究，计算 河海大学硕士学位论文 了各采样点细菌的多样性指数，发现各点的细菌的多样性与水环境理论指标相吻 合。说明了水体水质与微生物群落结构之间确实存在某种联系。r i c c a 【3 1 i 对b o s t o n 海湾的表层水质检测发现大肠杆菌噬菌体、大肠菌群数、肠球菌等指标与水体受 粪便污染程度相关，前两者是很好的指示菌。卢冰等【3 2 】利用显著性检验分析游泳 池水体细菌总数和理化指标( 游离余氯、浑浊度、尿素和p h ) 之间的相关性，同 时以散点趋势图加以说明，并选用回归模型分析结果之间的联系，结果表明微生 物与水质指标之间不是直线回归模型，其相关也不是简单相关，存在着联系的多 向性和复杂性，各双项之间的单独联系强度较松散，不存在因果关系。 万欢等1 3 3 】通过2 0 0 4 年对京杭大运河杭州段水体中可培养微生物的生态分布 进行了为期1 年的调查后发现，京杭大运河水体中总异养细菌年平均值高达1 6 4 1 0 5a 驯m l ，说明有机污染仍相当严重。且所调查微生物的季节和河段差异并 不显著，基本属于同一数量级下的微小波动，通过对氨氧化细菌和水体中氨态氮 的相关性研究发现，两者之见几乎没有相关性，相关系数仅为0 1 2 9 ，而对硝酸盐 还原菌和水体中硝酸盐氮的含量的相关分析表明，具有较好的相关性，相关系数 为o 7 9 4 ，同时还发现异养菌与硝酸盐还原菌和硝酸盐氮之间的相关性较好。相关 系数分别为0 9 8 7 和o 7 8 4 ，说明水体中微生物数量与水质确实存在一定的关系。 付融冰【矧等利用混菌法和稀释涂布平板法测定微生物数量的方法，对人工湿 地基质中的微生物与净化效果的相关关系的研究中发现，数量上湿地上层基质的 微生物较下层多两个数量级，显著分析表明上下层的细菌数量具有显著差异，且 细菌和放线菌的数量与b o d 5 及t n 的去除有显著的相关性，说明微生物的作用 是去除有机物和n 污染的重要途径，而基质微生物数量与1 1 p 的去除率相关性不 明显。湿地基质硝化速率，其硝化能力与亚硝化细菌的数量呈显著相关。吴振斌 【3 5 】等的研究也得出了类似的结论。 樊竹青等3 7 l 通过研究滇池底泥上层土样异养菌的数量和分类。滇池底泥的 细菌数量在1 3 9 1 0 1 1 8 1 0 6 个g 土样之间，其数量的多少与水体污染程度有一 定的相关性，在水体严重污染的北部和西部的微生物数量较少，污染较轻中部和 东部相对细菌的数量较多，细菌数量和水质污染呈现负相关，认为存在这种负相 关的原因不明，还需要进一步研究和探讨。陈金霞等f 3 8 l 对上海苏州河底泥的研究 发现底泥中的硝化菌、亚硝化菌、大肠菌群，反硫化细菌的数量的季节变化均呈 6 第一章绪论 现秋季到夏季减少趋势，其中大肠菌群不分污染河段，全部是春季数量最多，研 究还发现，污染程度与微生物数量的变化趋势一致，污染越严重微生物数量越多。 林国芳等1 3 9 l 对巢湖和龙感胡底泥微生物的研究中发现，巢湖底泥样品比龙感湖含 有更多的放线菌和溶磷菌，龙感湖底泥样品则比巢湖含有更多的反硝化菌和纤维 素分解菌，认为巢湖底泥目前的微生物区系结构状况从总体上讲有利于水体高富 营养化状态的维持和继续发展。底泥中的微生物群落结构与水体富营养化之间是 相互影响关系，而这种相互影响的生态效应有必要进行进一步研究。 综上所述，微生物数量随着季节、垂直方向和不同污染类型会发生一定的变 化，且在微生物与水质的关系研究中，水体中的微生物与水质的关系较明确，在 对湿地及河流湖泊底泥微生物与水质关系的研究中，都表明底泥中微生物的数量 与水质状况之间存在一定的相关关系，但是具体关系仍然不明确，对于微生物数 量与水质之间是存在正相关还是负相关目前还存在分歧，有待于进一步的研究。 1 3 研究对象秦淮河 由于目前南京秦淮河已经受到了严重的污染，而底泥微生物在其中发挥的作 用还不明确，本文选取南京市的城市河流秦淮河来开展研究工作，秦淮河介绍及 污染和污染治理情况以下详细介绍。 1 3 1 秦淮河概述 秦淮河古称淮水，全长1 1 0 k m ，流域面积达2 3 6 l k m 2 ，其中南京市区占8 8 。 秦淮河主要支流有1 6 条i 加】，共有南北两源，南源出自溧水县东芦山，流经溧水 县城，称溧水河；北源出自旬容县北武歧山，流经句容县城，称句容河。溧水河 和句容河在江宁区西北村汇合为秦淮河干流。秦淮河干流长3 6 6 公里，在江宁东 山镇分为两支，一支为秦淮新河，从东山镇的河定桥起经铁心桥、西善桥在雨花 区的盒胜圩入长江，全长1 6 8 公里；另一支从东山镇往北由七桥瓮入南京城区。 进入城区的秦淮河干流在东山镇以下有运粮河、友谊河、响水河、南河等支流汇 入，在象房村附近又分为两支：一支经武定门的节制闸环古城墙绕行，在三汊河 口入江，称为外秦淮河：另一支称为内秦淮河，由东水关穿越古城墙，进入南京 老城区，经城南夫子庙出西水关，荐次汇入外秦淮河。 7 河海大学硕士学位论文 秦淮河作为南京地区长江段的主要支流和秦淮风光带的核心组成部分，在南 京人心中有着举足轻重的地位。然而近年来秦淮河污染情况严重，开展秦淮河水 环境治理己受到广泛关注。 1 3 2 秦淮河水污染现状 秦淮河是南京的城市内河，目前水体受到了严重的污染，究其原因主要是外 源污染和内源污染。 进入秦淮河的外源污染主要有工业废水和居民、宾馆、饭店、医院等排放的 生活污水。根据有关资料统计，秦淮河流域日接纳污水约1 0 5 万吨，其中运粮河 口以上9 4 公里的上游河段为1 7 万吨日，占1 6 ，运粮河口以下1 6 公里长的外 秦淮河段为4 8 万吨日，占4 6 ，内秦淮河为4 0 万吨日，占3 8 。从污染负荷 来源结构看，在上游河段，工业废水1 2 万吨，占7 1 ，生活污水5 万吨，占2 9 ； 外秦淮河段工业废水约l o 万吨，占2 1 ，生活污水3 8 万吨，占7 9 ；内秦淮河 工业废水8 万吨日，占2 0 ，生活污水3 2 万口屯日，占8 0 。可见，内、外秦 淮河控制的重点都是生活污染源，其次是工业污染源；上游河段控制的重点是工 业污染源，其次是生活污染源。此外，在上游段，汇水区内还有大量农田，农业 面源的污染负荷随地表径流进入河道，也是一个不容忽视的重要污染来源。 此外秦淮河底泥中各种污染物释放造成的污染也是造成秦淮河水质恶化的重 要原因，周灵辉【4 2 1 通过室内模拟试验研究外秦淮河底泥释放对上覆水水质的影 响，上覆水中c o d 质量浓度是前4 d 呈下降趋势，至第1 4 d 后有所升高，n h 3 n 质量浓度是前4 d 呈上升趋势，表明外秦淮河底泥释放对上覆水水质有一定影响。 近几年南京外秦淮河水环境状况较差，据记载f 4 3 】秦淮河自1 9 9 8 开始治理，至今 水体污染物有明显的下降趋势，但是仍属于劣v 类水，尤其是n h 3 n 污染超标严 重。根据近年水质监测资料，外秦淮河近2 0 0 1 2 0 0 5 年水质较差，市区凤台桥段 水质一直是劣于v 类水，超标物质主要有d o 、n h 3 n 、高锰酸盐指数、b o d 5 等， 该4 个项目超标率均为1 0 0 ，最大超标倍数达1 2 2 倍，因此秦淮河污染现状仍 然十分严重。 1 3 3 秦淮河水环境治理及研究现状 目前，南京秦淮河水环境治理主要是在以保障防洪安全等河道社会功能为前 8 第一章绪论 提的基础上i 州，兼顾改善水质为目标对其水环境进行治理，其综合整治思路主 要包括以下几点：首先全面提高城市防洪标准，确保河道行洪，为城市发展提供 防洪安全保障，水环境的治理首先要以安全为前提；其次以为提高城市居民生活 质量为期望，对水环境质量进行改善，主要通过对秦淮河实施清淤、清污，减少 河流内源污染的可能性；同时从美观角度出发，按城市防洪规划标准建设防洪堤， 拆除违章建筑，沿堤绿化布景，实现秦淮河水清河畅，岸绿景美；最后需要政府 及水行政主管部门及时对河流的水质状况了解，通过法律手段加强流域沿岸企业 的污水处理及排放1 4 5 1 ，并适时实行流域调水对秦淮河进行引水稀释。 南京秦淮河水环境的治理及保护早在2 0 世纪8 0 年代就受到了政府的重视。 先后对秦淮河实施了一系列的整治及治理措施。自1 9 8 5 年开始，政府投资1 0 亿元左右，对秦淮河重点实施了三大系统工程：一是建成了日处理量为2 6 万吨 的江心洲污水处理厂：二是按规范计算的污水载流比( 溢流坝高) ，完成了东水关 至西水关( 内秦淮河南段) 、淮清桥至涵洞口( 内秦淮河中段) 、珍珠河一线( 内秦淮 河北段) ，以及明御河、清溪河、玉带河( 内秦淮河东区) 等全流域污水载流和部分 河岸绿化美化工程；三是投资6 0 0 0 余万元，建设和运转了大桥水厂和上元门水 厂共计1 8 万吨日引水冲洗内秦淮河设施。1 9 8 8 年，南京市人大常委会为加强 内秦淮河保护制定了南京市内秦淮河管理条例，对内秦淮河河道整治、维修、 保护和管理都作了明确规定。 2 0 世纪8 0 年代末，政府在夫子庙设置了橡胶坝，采用清水注入换水的方法。 保护好风景区段的水质。2 0 0 1 年6 月，南京市政府制定了南京市主城区水环境 治理与保护规划，并加大了资金投入【矧。2 0 0 2 年政府开展综合整治外秦淮河与 河西新城区的建设同步规划一期工程，共花费3 年时间，重点通过水利、环保、 安居、景观、路网等5 大工程进行整合，对主城段1 6 公里进行综合整治。从水源、 流域方面入手，通过调水、防洪工程，提升水位等措施，实现3 个阶段性目标， 即“水质改善、景观改美、道路改畅 。水质改善的目标是，通过治污、截污、清 淤等，控制水体的黑臭，清除河中的污染物，提高水体视觉效果【4 7 1 。 目前，总体上秦淮河水质状况有了很大的改观，但由于河道水质问题影响因 素的复杂性，突发性水污染事故依然存在。近年来，南京市政府又开展了秦淮河 进一步整治。要长期保持水环境整治效果需要对秦淮河水质及污染变化动向作出 河海大学硕士学位论文 详细的了解，以能对应采取有效的科学治理措施。如通过了解秦淮河水质季节及 不同污染河段的变化规律，可以反应不同河段和河段环境因素对河流的影响，包 含了污水排放，人类活动等综合影响，了解了这些可以为管理者提供一种科学而 有效管理河流的方法，方便管理者及时对其进行排放控制、生态修复和引水稀释 等治理措施。 同时，由于底栖微生物特征是河流水质信息的综合反映，通过调查秦淮河底 栖微生物的时空变化特征有助于了解其复杂的水环境问题。并且，通过对秦淮河 不同河段底栖微生物特征及其与水质关系的分析，建立相关关系模型，有助于建 立一种评价秦淮河水环境问题及水环境改善效果的方法，从而为秦淮河的后续治 理提供有效的技术支持。 1 4 研究内容 本文开展了以下研究： ( 1 ) 秦淮河不同河段和不同时间水体污染以及水质变化特征研究。在三个不 同特征河段分别设置采样点，自2 0 0 6 年1 1 月至2 0 0 7 年1 0 月对秦淮河不同河段 水质特征进行了为期一年的监测，一方面了解秦淮河水体污染状况，另一方面， 为研究秦淮河水质与底栖微生物关系提供基础数据。 ( 2 ) 秦淮河底栖微生物群落特征随河段及季节的变化研究。在三个不同特征 河段分别设置采样点，自2 0 0 6 年1 1 月至2 0 0 7 年1 0 月开展秦淮河不同河段底栖 微生物数量的变化特征研究，以了解秦淮河的底栖微生物特征，同时为建立秦淮 河水质与底栖微生物关系提供基础数据支持。 ( 3 ) 秦淮河水质与底栖微生物相关关系研究。以一年为周期分别分析受人为 影响程度不同的三个不同特征河段、不同季节整条河流以及自2 0 0 6 年1 1 月至 2 0 0 7 年1 0 月一年内整条河流的底栖微生物与水质相关性，从中找出底栖微生物 与水质的关联性，希望能为全面了解秦淮河水质以及评价秦淮河后续的治理效果 提供有效的技术方法。 1 5 技术路线 本文围绕秦淮河底栖微生物特征及其与水质关系的研究，制定了研究技术路 1 0 第一章绪论 线，如图1 5 1 所示。 日回 - l l - i i d ； r i i l i i - i l - 图1 5 1 技术路线 1 1 l l l i - l - - i - _ - ，iiiiii-l - 第二章调查及实验方法 第二章调查、实验和数据分析方法 2 1 采样点的布置 对秦淮河进行调查时采样点的设置是按照受人类活动影响程度的不同进行划 分的。考虑到城市河流不同河段的水质与底栖微生物状况存在一定的差异。，按照 受人类活动影响程度的不同，结合秦淮河的不同河段特征差异性，采样设置为三 个河段进行，即自然河段，城市河段和入河口区，其中入河口区除了人为影响居 中外还兼具受河口潮汐影响的特征。采样点的具体布置见图2 1 1 ，图中实心圆标 记点为采样点，共三个采样点，分别为：清凉门桥附近，位于市区附近，认为代 表城市河流，受人为影响最大；三汊河桥附近，位于入河口区，认为受潮汐影响 较多，又集中体现了城市人为影响；河定桥附近，位于郊区，可认为是自然河流， 受人为影响最微小。各河段具体采样图片见2 1 2 2 1 - 4 。 图2 1 1 采样点布置图 河海大学硕士学位论文 图2 1 2 自然河段采样图片图2 1 3 城市河段采样图片 图2 1 _ 4 入河口区采样图片 2 2 水样的采集与监测分析 2 2 1 水样的采集 ( 1 ) 水样的采集 于2 0 0 6 年1 1 月之0 0 7 年1 0 月，以一年为周期，每月月末采集水样一次进行 分析，水样的采集采用水样采集器，于水面以下0 5 m 采集水样，置于聚乙烯瓶 中放于4 冰箱，于2 4 h 内测量水质。水样采集器见图2 2 1 。 建溪一，嚣鋈?一警 第二章调查及实验方法 2 2 2 水质监测分析方法 图2 2 1 采水器图片 水质监测指标及测定方法或仪器【镐】见表2 2 1 。 表2 2 1 监测指标及测定方法或仪器 监测指标分析方法或仪器 水温 p h n 0 2 - n n 0 3 - n n h 3 - n t n ” 高锰酸盐指数 普通温度计 玻璃电极 - 0 6 时即认为相关性较强，从其中选 择相关系数最大的底栖微生物，认为可以考虑以该种底栖微生物作为指示相对应 水质指标污染程度的底栖微生物。 第三章秦淮河水质调查与变化规律分析 第三章秦淮河水质调查与变化规律分析 为了更好了解秦淮河不同河段和不同时间水体污染以及水质变化特征，本章 将秦淮河三个河段( 自然河段、城市河段和入河口区) 在2 0 0 6 年1 1 月一2 0 0 7 年 1 0 月一年的水质调查数据，分别进行了时间和空间的变化分析，以期找出秦淮河 水质状况的季节变化规律，受人类影响下的水质波动状况，一方面可以了解微生 物生存的外界水体环境状况，另一方面也为底栖微生物与水质的相关性分析提供 基础数据。 3 1 秦淮河水质状况总体特征 对秦淮河各个水质指标，全年三个不同河段的3 6 个调查数据取平均值并绘制 成柱状图，结果如图3 1 1 所示。从图中可以看出秦淮河水体1 n 全年平均含量为 5 2 7 m g l ，按照秦淮河水体环境功能规划，秦淮河水体水质必须达到地表水环境 质量标准类水标准，类水标准t n 含量要求必须1 5 m g l ，可见秦淮河水体 t n 没有达到环境功能规划的要求，超标倍数达3 7 5 ；高锰酸盐指数的平均含量 为4 9 7 m g l ，类水标准高锰酸盐指数要求必须l o m g l ，因此，秦淮河有机污 染并不严重，达到了要求的类水标准；n h 3 n 含量为4 1 5 m g l ，类水标准 n h 3 n 含量要求必须1 5 m g l ，n h 3 n 的超标倍数为2 7 7 ，且n h 3 n 含量占t n 含量的7 4 ，是n 的主要污染形态；n 0 3 n 和n 0 2 n 含量全年平均较低，对t n 含量的贡献不大；t p 含量全年平均为0 2 5 m g l ，类水标准t p 含量要求必须 0 3 m g l