（环境科学专业论文）富营养化水体生物栅修复技术中微生态种群结构研究.pdf

华东师范大学硕士论文富营养化水体生物栅修复技术中微生态种群结构研究 均值也超过了o 4 5 ，指示的污染程度为轻或无污染，s i n l p s o n 指数和m a 唱a l e f 多 样性指数指示系统出水水质较进水的水质有较大改善。 6 浮游植物的细胞密度和种类数与水温有明显的正相关，而浮游植物的种 数、属数、细胞密度和生物量与溶解氧呈负相关：浮游植物种数与水体的氨氮浓 度有显著的负相关，而总细胞密度与氨氮浓度里显著的正相关：浮游植物的密度 和生物量与亚硝酸盐浓度均呈现非常显著的正相关关系，而浮游植物的种数与硝 酸盐浓度呈现显著的负相关：蓝藻门细胞密度和生物量与总磷浓度呈现显著的正 相关。 7 试验期间发现浮游动物5 9 种，其中原生动物4 8 种，占总种数的8 1 4 ； 轮虫4 种，占总种数的6 8 ；浮游动物的个体数量主要以原生动物和轮虫为主， 且原生动物的数量明显高于轮虫，但生物量是轮虫高于原生动物。 8 系统中浮游动物总数与水温呈正相关，匍匐类纤毛虫的种类数和丰度的 变化对系统中硝化作用的指示作用非常明显，呈显著负相关，游动型纤毛虫与 c o d c r 浓度呈正相关，固着型纤毛虫与c o d b 浓度呈负相关；轮虫和线虫的多 样性值与出水的氨氮浓度都呈负相关，与硝态氮和亚硝态氮浓度呈正相关：固着 类纤毛虫的多样性值和游动型纤毛虫的多样性值与出水的氨氮浓度呈负相关，匍 匐型纤毛虫的多样性值与出水的硝态氮浓度呈正相关，鞭毛虫的多样性与出水的 氨氮浓度呈正相关。 9 应用f i s h 技术对生物栅强化净化系统中生物膜硝化细菌进行研究表明， 蕤着系统豹运季亍，硝诧维蔫数曩黉嚣蹭魏，在一定熬曝气条佟下，系统硝纯缨菡 数量明显高予来曝气的反应池，这点与传统的培养方法所得到的结果相一致。 l o 浮游植物的属数和种数与彝养细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌和反硝他细 菌数爨呈负檩关；异葬细菌的数量与浮游植物的总纲胞密度秘总生物量呈菠相 关，艇与蓝藻门细胞密度呈黧著的芷相关：硝酸细菌和亚硝酸细菌与浮游植物的 总缨腿密度联总生携爨呈受褪关；浮游动物誊度与浮游植物憨缨骢密度之阙黧受 相关趋势。 关键词：富酱养化水体e 附c p c r 微生物群落结构浮游植物 浮游动物 荧光源位杂交 玎 些主墅堕查兰堡生丝壅 塞笪茎些查苎生塑塑竺墨垫查堂生查憋塑塑黧壅 a s 吐塘d e v e l o p 岫e n to fi n d 唧锄d 嘶洲t m 譬，t l l ep i o b l e mo fe u 廿o p 雌c 砸蝴i n 嘲皱睇b e 辩黼粼畦粼辨雠，锻蘧t 酶b i 甜程瞅娟离童。珏t e c k 蚺主s 璐艇t o s o l v et h ep r o b l 鼬，w h i c hh 黼b e c o m eaw o r l d 诵d er e s 船r c hh o t s p o t f u n d e db y c h 蕊n 娟o n a l舢g r a m sf o f掰醢 融嘲确a 确 d e v e l o p m 嘶 钟o 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 2 0 ) ，t l l e 呻m 鸯i 越y 如渊s e so n 搬el 嫡c r o e c o l o g y 糟s p e c tt l s 主n ga n f t e c l m i q ，w i mm e d i u mb i 娟l m s 锄dh y c i r 【巾h y 姚雒m a i nc o m p o n e n 溉a n dw i 也 溉鼢，p l 酞蛾酶蠹d 蝴e s8 砖8 紫啦i e 撼i 嘲s 勰妇e 蝴l o j 凼鑫le l e 鹫燃s ， w l l i c hw 鼬a d o p t e dt od e a l 谢1 l ls o m e 洲衄o p i l i c 撕o n a lw 融e ri ns h 蛆g h a i t h i ss n l d y 番m e lt oi 粼蟠g & t e 醣l 8 毫i s 确钿蟹强擞洒融泌c 。豫热黼i 每s 妇瑚e 堍措s 擞通 d e g 粼蜥o n 矗m c t i o n * b ro 嘣8 i np o l l u t a n 协t b 。r c l a t 酗n s o fd y l i l i cc h 蛆g eo f p l 删锄虹油硎蹴鞠嘴l o 由雾胡g 出m o fp o l l 墩翰熏s ，a n dm es y 地嘴e t i c r e l a t i o 璐k pb e 抑ne c o l o 垂c a le l e m e n t s 证也em i c r o 嘈s y g 嘧媳。ap i l o t 。s c a l et e s t w 勰c 鲫 c do 帆诵l h 刹1 u e n t 鹕6 心，d - p o n d ，7p d sp a r a l l e lc o 衄e c 尊d ，粕d 谢t l l c 翻确酞u s 纽搬l 掉珏l 越堪d 魏u 烈娃。t l 持t h e s i se o 狂s i 蛙so f 谯of - o l l o w i l i 瞎c 0 霸e l t l s 至o n s ： 1 t h ed 嘶w i _ mb i o b 甜h 舔d b 、r i o 锵a 虢“o no n 删瞳o p h i c 撕o n 搬 斛蜮雌黜黼磋，c o 转碟，皤b 堪雒砖霜辍豹谣蛹e i e 测嚣瓣黼s p e c 蛀w l y 4 7 6 5 3 4 ，2 4 9 4 8 3 ，6 3 5 7 4 3 锄d5 7 7 7 6 4 h i g l ”rm a n 氇踯o fo o 矗椭le 冲螨狂赋谴s 。w 融p 融她溉醣拇1 o rna n dp 西洲蛳a 稿 r e m o v 北廿 p 嘶母i n gp o n d s 蝴t l lp l a n t sh a v e1 1 i g h e rt n 觚dt pr 哪o v a le 伍c i e n c y 硅嫩谯o w 溉嘶h 娜嘲碑8 氆e 嘲擒n c e dt n 越d 静托m o v 越e 简c i e 确e s 辩 1 7 2 3 0 1 锄d8 8 2 6 。3 r e 8 p e c l i v e l y 2 e c - p c r6 n g e 删n t i n ga n a l y s i si n d i c a t c dn l a t 也ep o n d s 试t hh y 删y t e h a dm 辍e 曲掰溺a 嫩m 泌f 曲遗le o 封瑚班蠹锣s t 翻c 毛嫩_ es i 芏l 基l a 娃每鑫n d 壤v e f s 秽壤鲢t 酶 谢t 量l o u th y 由嘴h ”e s 拍ep o n d 8 嘶t l lo x y g p r o 砸s i h a dm o 他翩聊r i 删1 1 9b 黼d s 氆托蛙将蛾牺墩o x y g 旺蚕v 糖强ep o 珏玉诚重l l7 ，5 矗珏瓢歉a dm o 糟痨鞠幽嫩 e l u c 巾c r 血螂印r i i i 娃n gb 蛐d s l l l 孤也o 谢t l l4hh i 峨姐d t h er 船u hs h o w e d 协a t 王蟊疆妇dl 髓si 蕊辩n c eo n o t 馘。壬i l m s 撕b i a lc o m m u n 晦s 钒端t u 鞴 3 a sm e 鼎p e r i m e n t sg e n _ m go 氇镪es y 蹴l n i cp o 删砸o nd i v e r s 毋i n 酾x e s8 黯d i i i 望查墅整查兰堡主堕兰 重量菱些查苎兰熊塑笪墨垫查生丝生查塑登堕塑照堑 s 岫l c t u r cs i m i l a r i t yi n c r e a s e b i 0 6 l mm i c r o b e sl l a _ v eg r a d l i a l l y8 _ b u n d a n tp o p m a t 沁n 艟ds | 鑫秘es 搬埒 疆等，硪i e h 赶e 派8 o 嫩礤氇p o l l 畦f e 趣o v 堪e 壤c 主e 岱i 髂。 4 t o t a l8p h y l u 嬲，4 8g e n e r a ，9 1s p e c i e so fp ：h ”o p l a n l ( i o nw e f ei d e 娟f i e d 诵t h 鑫v e r a 辫e e i ld e 璐两a s5 6 3 l 妒i n 扰a n d 糊l 豳e 驳o m a s sa s9 2 7 檄g ，ld u 溉g e x p e f i m e n t a ip e r i o d n er e s m t si n d i c a l e dm a ti n t l l ep h y t o p l a n 蜘nc o 舢枞l n i 填 ( 确砌印砂岫w 舔p r e d o m m a mu p o n t l l eg e n 商cn l m l b s p e c i e s 姗m b e r ，c e i ld c n s i 哆 a n db i o m a s s 。 5 s h m o n w b a v e ri n d e xm e 锄v a l u eo f 蜘p l 觚k t o nw 蟹f e 西b o v e2 o ，矾d p 至e l o u 主n d 双糊e 8 琏划u e 毪重s oe x ee | 醋e d0 4 5 ，w 毯矗i 箍藤e 鑫l e 矗耗s s 艇l 瓣p o l l 嘲主。n 。 s i m p s o ni n d e xa n dm a r g a l e fd i v l 潲耐i n d e xi n d i c a t c dt 1 a tt h ee 舶u e n tw a 储q 叫蚵 蠡醛执强i m 帮谳m 毯c h m o 揩馕躲氇a l o f 函睡糙哦嗽 6 c e l l粕ds p e c i e sn 啪b e ro fp h ”o p l a l l l 【t o nc o 删i t yw e mp o s i “e l y 妇把l a 圭e d 稍t l l 错a l e r 洄叫弦确抛，w 赫i es p e c 泌sm m 妇c e 珏d e l l s 城锚觚db i 黼a 筠 o fp h y t o p l a n h o ne x 嫩b i t e ds 城c tn e g a t i v e 硒s o 妊a t i o nw i 凼d 0 。s p e c i e sf m m b e 鹅o f p l 嘞l 柏k 鼢lc o m m u n i 哆w e r cs i g n i f i c a n n yn e g a t i v e l yi n 把n _ e l 帅耐l ：v i t l ld 玎u e m a m m o 砖ae o l l e e n 在i 蕊。鸫嘶鲢l e 套g 畦c e l ld e n s i l i e so f 蚰y 蚓蹦矗e d ne x 赫k l e ds 蛙主c t p o s i t i v ea 豁o c i 8 t i o nw i me 舶u e n t 锄m o 城ac o n c 删o n s c e l ld m s 越e s 粕db i o m a s s 蛹) 哇0 9 l 鞠躲。眭鞠l 矬糖灌蛀锣黼s i g 噻蠡c 越瓣y 班堪i 承畦y 主硅妇鹣赫舔旗睡程蠡黼臻 栅t ev a l u e s ，w m l es p e c i e sn 砒b e rf o ra i g 躺m e m b e r se ) 【l l i b i t e d 矧c tn e g a 城v e 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h ”o p l a i l k t o w e mn e g a t i v e 船s o c i a 虹o n 谢也h e t e m n d p h i cb t e l 氓i l i t r i ca c i db a c t c r i an i 缸饥玲i db t e r i aa n d d e 曲d 聊n gb a c 晒i a t h e 曲m l 掰o f h e t e i 劬p b i cb a 咖r i a 、懈p o s i t i v e s o c i 蕊o n 诚t l lt l l et o t a lc e ud e 璐m e s 强dt h e 协t a lb i o m 鹊so fp h y t o p l 蛆l c t o i l ，髓di t 吣 s i 鲥f i c 觚l l yp o s i t i v e l yi m e m l a t e d 、】v i t l l 惋c e l ld e 璐砒e so fc m d p 砂招n i t r i c i d b t e r i aa n dn i 怕璐a c i db 删aw e n e g a t i v c 髂s o c i a l i o n 喇mt h ct o t a l c e l l d e 璐i t i e s 锄dt l l et o t a lb i o m 船so fp _ h y t o p l 锄 【t o n t h ed i v e 璐i t ) ro fz o o p l m l k t o 啦嘲 n e g a t i v e 船c i a l i o n 慨d 谢1 l ll l l et o t a lc d ld e n s i t i 部p h 弘叩l 眦k t o n k e yw o r d s ：e 岫唧m c 砸o nw a t e f ；r e i c - p c r m i c r o b i a lc o 咖蚰时蛐c n 鹏； p h 弘叩l 髓k o o n ；z o o p l 柚k t o n ；n u o 糟s c e n t 证s i t i ll l 姗d i z a t i o n ( f i s h ) v 学位论文独剑性声明 本入所亟交的学俄论文怒我在辱师的指导下避行的研究薯作及 取褥的研究成果。摄我所知，除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文 不包禽其他个人澄经发表或撰写避的研究成果。瓣本文骢磷究徽怒熏 妥贾献羽个人糯集体，均鹣在文审律了鞠穗说稠并表示谢意。 作者签名：签堡垒日期； 学挝论文授毅使用声暖 本入完全了解华东j | i l l 范犬学有关保整、使耀学位论文的规定，学 技有权保留学位论文并向阑家主管部门或其指定机构送交论文翡嘏 孚版髑纸震版。有救将学挝论文瘸母葛乒赢铡磊的瓣少爨复铡并允许论 文进入学校罄潜馏被豢阕。有权将学位论定魏内容缠入肖关数据摩畿 行检索。有权将学位谂文韵标题释摘要汇编出版。保密的学健论文在 鳃密斌遗用本规定。 学位论文稚者签名；夺鹰曼 嚣期：鲨! ：兰：兰； 导瘁签名：考囊釉 蠢麓：曼受：! ：墅 肇末辫藏夫攀攒士 龟文蛮鹭棼纯承体黛秘穗赣复技寒孛徽舷淼静群绻襁研究 第一章前言 l 。l 国内静研究现状分析 1 1 1 富营养化水体的污染现状 随着城市和工泣生产的不断发滕，农业化肥和含磷洗涤剂的丈量使用，汉及 大囊来经处理的城市生活污求瓢工农渡废水溅入湖泊靼江淫巾r 使湖演、江溺中 的氮、磷等营养盐不断积累，部分藻擞以及其他水生生物异常大量繁殖，造成水 薅透明度下黪，产生器昧，农髂功旋逡銎| 酸塔，进秀导致承俸瓣寥豢券纯。一般 说来，当天然水体中总磷大予2 0m g m 3 ，无机氮大予3 0 0m g m 3 时，就可认为水 俸憝_ 予富营养证获态h l 。 2 0 世纪初，水体富营养化问题引起了生态学家、湖沼学家的注意，同时也 得蓟一些国舔组织、翻家政府及社会备界又士的关注与重视。来自联合国环境规 划署( u n z p ) 的一项水体富营养化调焱结果表明【2 1 ：攘全球藏溷内3 0 4 0 的 湖泊和水库漶受不同程度影响，各地酝受影响的情况相差悬殊。世界t 大部分的 大型湖泊未受影镌，承质受好，如熨敏拥湖、苏必裁湖、马控缳澳、熄噶尼噻澳、 大腊湖、大奴湖等；而在气候干燥地区，水体富营养化情况相对严重，如西珊牙 夔8 窿承露中，至少有l 趱是处予黧富营养强状态，在褰美、素蘩、墨秀鼙及 其它一些地方都有水库严重富营养化的报道。加拿犬湖泊众多，发生寓营养化的 潮泊鬟| j 主要集中在翱黎丈南辩久日稠密遮嚣，其大部分湖泊( 约3 4 ) 处于贫营养 状态。近些年来世界备国普遍熏视湖泊环境的演变，冈前欧洲湖泊面临的最大趣 题是湖泊富警养仡问遂，在统计的9 6 个湖泊中有8 0 ，舌的湖泊不弼程度地受到氦、 磷的污染，呈瑗出富蓊葬他状态。在j e 美洲爨受人关注的五大湖泊中，苏必剥溪 水质最好，满贫营养湖泊，你伦湖和密执安湖处于中蓠养状态，而伊剁湖和安大 略湖测求爱鞠对较差，震塞嫠养鍪 滏。亚潮溪滚水震涛j l 差舅较大，j 鄂潮游农 质较好，而南部湖泊水质较慧；亚洲湖泊水质的主要特点是水中氮、磷含量偏高 ( 污染分接率多数占3 ) 。驻澜摩部大帮分潮滚謇鬻养纯瓣惩突出，适宜豹自 然条件和湖中营养盐容易引起水华。此外，亚洲大部分城市湖泊接受生活污水较 多，羯锰酸薤指数( e o d m l l ) 释生纯需氧量( b ) 均趣标严重翻。河流富营养纯程 华东i i | j 范大学硕士论文 富营莽化水体生物栅修复技术中微生i 豁种群结构研究 度一般不如湖泊、水库等静止水体严躯，而鼠河流水体中承生植物的增长还可有 爨予摄裹式侮戆皇冷施力。键选畜涎滚出爨过塞营莠纯翘题豹缀遂，燕鑫予建造 阿斯旺大坝使尼罗河水文发嫩变化黼使开罗市的供求水源受到水体寓营养化的 影藏；法嚣鼙器静掇暹说其下游途嚣浆淫流巾辞绿索穰极骞溺。 我国是一个湖泊众多的圈家，大予lk 督的天然湖泊有2 3 0 0 余个，湖泊面 积为7 0 9 8 8 妇产，约蠢全国穑翅总面积的o 8 ，湖泊总贮永蠢为7 0 7 7 多亿n ，1 4 j 。 近年来，我嗣屡已对水污染状况加以霪规，傻总体憾况是“髑熬有所改善，整体 仍在恶化”，寓营养他湖泊比比皆是，许多河道则是终年黑臭。许多大型湖泊， 如巢濮、太淤、赛阳溺、滨涎等，郡经处于富营养域重塞慧葬状态，瑟虽一些 河流如黄浦泼流域、珠江广州河段等在部分河段也出现了富静养化现浆。据肖关 部门绫谤，我溪7 5 豹澳泊，9 。豁上懿壤豢淫滚郝受蘩蚕蠲程度翦污染疆。我 国主骚湖泊娥于因氮磷污染丽导致富营养化的占统计湖泊的5 6 【3 】。而且，我国 巍泊、承痒耧江海謇篱养纯鹣发展趋势菲索遨速。1 9 7 9 1 9 8 0 年大多数潮泊疆 于中鸷养状态，占调套面积的9 1 8 ，贫营养状态湖泊占3 。2 ，富游养状态滟 泊占5 o 。短短l o 颦闯，贫营养状态湖泊犬多向中篱养状态湖泊过渡，所占评 价面积比例从3 _ 2 i 嚣速降低烈o 5 3 ，中黪券扶态湖泊囱塞营养状态过渡，富 营养化湖泊所占评价面积比例从5 o 剧增到5 5 0 l f 6 】。近1 0 年来武汉汉江下 游瘩震急捌瑟纯，呈寨营莽纯获态，焱2 0 整鳃妁年健营2 次滋现承体孛藻类慧 剧繁皴的“水华”现象。昆明滇池水质在2 0 世纪5 0 年代处予贫营养状态，到 2 0 毽绍8 0 年钱臻楚挚富营养铯获态，夭鳖求雏植耪释数赉整纪5 9 年代戆4 4 种降蕊2 0 种。浮游植物属数由8 7 属酶至4 5 属，土著瓴种数由1 5 种降趸4 种【4 1 。 j 琏年来，我鏊湖泊时有蘸藻、绿藻等豹攀节性爆发现象，簇至湖泊水质较好 的千鼬湖也每年爆发水华。水质富营养化问题给生态环境造成严重危害，经济援 失也十分惨重。我l 蟊澍湖泊富营养亿状况、产生原因进行了一系列研究与防治的 实践，中央秘她方在湖泊塞鹫葵化澹攥方蘑投入了不少资金，溪渣耗瓷4 0 亿嚣， 太湖耗资1 0 0 亿元，一些小型城市湖泊的治理瓷金也是上亿元，但是效果都不太 鼹显霉霓塞蘩葵毒乏纛残楚我嚣潮潼瓣蔫帮今螽稳当长一段辩蠲蠹懿蘸丈承邵凌 问题。如此严麓的水体污染，对水体的生态系统造成很大的危害，水体生态平衡 疆舔，镑震矮环受阻，承生动物嚣惹牲藏馒拣中毒面死亡，甚至危及入类生命， 2 华隶师范大学疆士论文富嚣莽纯永体垒静瓣蓉鬟技末孛徽擞态辩群姥掏研究 势经经济严重受援，由于零律一量避天塞蘩莠阶段裁会丧失其瘟套豹魂毙，影响 经济建设和社会发展，因此，开发研究经济有效的嫩物修复技术，治理富髂养化 永体，减少其中静嚣养麓矮含蠢，恢复承俸豹综合麓髓，惑成为警藩污染承体磅 究的重要课题。 1 1 2 国内外生物修复技术 生物修复技术作为2 0 世纪9 0 年代迅速发展起来的一项污染治理工程技术， 在污染河道的治理中显示出其得天独厚的优势，如费用省，仅为现有环境工程技 术的几分之一；环境影响小，不会形成二次污染或导致污染物转移；可最大限度 地降低污染物浓度，而成为当今治理污染水体的首选治理措施。污染水体生物修 复包括微生物修复、水生植物修复、生态修复几大类。近年来，国内外利用生态 修复技术治理污染水体的研究和工程应用非常普遍，产生了很多新的技术，同时 也积累了大量的经验。在受污染水体的生物修复过程中，常通过微生物或植物的 直接净化作用修复受损污染水体，也有通过曝气复氧和添加生物缺少的营养物质 或电子受体来强化生物修复进程。以下重点介绍几种针对江河湖库污染水体的生 物修复技术。 1 1 2 1 水生植物修复技术 生物调控后湖泊能否保持清水状态，很大程度上依赖于恢复的水生高等植物 的发展。近年来，国内外对水生高等植物在湖泊生态系统中的作用及其恢复进行 了广泛的研究，试图将以藻类为优势的浊水态水体转为以水生高等植物为优势的 清水态水体。国内外的学者在这方面作了大量的研究工作【”。水葫芦是国际上 常用的一种治理污染的水生植物，它不仅对氮磷有良好的去除能力，能迅速大量 地富集废水中的c d 、p b 、h g 、n i 、a g 、c o 、s r 等多种微量重金属f 7 】。王旭明即 等研究了水芹菜对污水的净化能力，发现水芹菜对污水中的n 、p 、c o d 具有明 显的去除效果，能明显改善污水水质，且净化率随温度的升高而增加，作用后的 水质变清，悬浮物减少，透明度增加。李文朝【1 0 】等在富营养化湖泊中开展了常绿 型人工水生植物组建实验，在实验区中选用耐寒植物伊乐藻、菹草和喜温植物菱 角及风眼莲组建了常绿型人工植被。这种常绿型人工水生植被形成了生长期和净 化功能的季节性交替互补，使实验区内常年保持较好的水质，对外来污染冲击有 很强的缓冲能力。诸惠副l l 】等采用芦苇对进水c o d 浓度为4 0 0 8 0 0 m g ，l 的乳 华东师范大学硕士论文 富营养化水体生物据修复技术中微生态种群结构研究 制品废水进行处理，c o d 的去除率达9 7 9 8 。大型水生植物具有拦截外源 营养、吸收富营养化湖泊中的氮磷元素的功能，某些植物的根茎能抑制底泥中营 养物的释放，而在生长后期又能较方便地去除，带走湖泊中过多的营养物。另外， 高等水生植物与浮游植物是营养物质和光能利用上的竞争者，前者个体大、生命 周期长，吸收和储存营养盐的能力强、它的存在可抑制浮游藻类的生长。因此水 生植被的组建及其恢复正日益受到人们的关注。从西湖近2 0 年浮游植物的演替 看，2 0 世纪8 0 年代以来所采取的截污、疏浚和引水等工程治理措施，并没有根 本改善西湖水质，单纯采用这些工程治理，难以实现治理富营养化的目标。而西 湖小南湖区自引水冲污后，湖区种植了高等水生植物，使水质得到明显改善，证 实了重建和恢复沉水植物是治理富营养化浅水湖泊的关键性步骤。在浅水湖泊富 营养化治理中，必须将工程治理措施和生态治理措施相结合，在控制外源污染的 同时，重建和恢复以高等水生植物为主的水生生物群落，并维护群落的稳定，对 富营养化浅水湖泊的治理将会取得显著和持久的效果。 尽管水生高等植物对湖泊生态系统有重要的调节作用，但是其自身也受到多 方面的压力。富营养化湖泊水体透明度低是水生高等植物生存的主要压力之一。 由于水体透明度低，水下光照不足，水生高等植物尤其是沉水植物无法获得足够 的光能生长。此外，有研究指出藻类亦可抑制水生高等植物生长，特别是富营养 化水体中的蓝藻水华对水生高等植物往往有致命伤害作用。因此，如何恢复水生 高等植物、如何使新建的种群适应环境变化以及环境灾变，并逐步趋于稳定，这 是水生高等植物恢复的关键。 1 1 2 2 人工湿地处理技术 人工湿地是2 0 世纪7 0 年代蓬勃兴起的一种处理污水的方式，它的原理主要 是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列的物理、化 学和生物的共同作用来实现对污染水体的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及 底面有坡度的洼地中，由土壤和填料( 如卵石等) 混合组成填料床，污染水可以在 床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理 性能好、成活率高的水生植物( 如芦苇等) ，形成一个独特的动植物生态环境，对 污染水体进行处理。人工湿地具有出水水质稳定、对n 、p 等营养物质去除能力 强、基建和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理 华东师范大学硕士论文 富营养化水体生物栅修复技术中微生态种群结构研究 间歇排放的污水和具有美学价值等优点【4 “。近十年来，英国、德国、法国、 澳大利亚、巴西、荷兰等国人工湿地发展迅速，它不仅成为中小城镇的重要污水 处理措施，而且也成为雨水处理【5 2 】、工业废水处理【5 3 】的重要技术。最近，在一 些发展中国家也开始应用人工湿地技术处理城市污水【5 4 ，5 5 】。 人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力【硎。废水中的 不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用； 废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程 而被分解去除。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过 对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。 人工湿地对氮的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用，将废水中的无机 氮作为植物生长过程中不可缺少的营养元素，可以直接被湿地中的植物吸收，用 于植物蛋白质等有机氮的合成，同样通过对植物的收割而将它们从废水和湿地中 去除。人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收，微生物的积累和填料床的物理化 学等几方面的共同协调作用完成的。由于这种处理系统的出水质量好，适合于处 理饮用水源，或结合景观设计，种植观赏植物改善风景区的水质状况。但也有不 足，如占地面积大、不精确的设计运行参数、生物和水力复杂性及对重要工艺动 力学理解的缺乏、易受瘸虫害影响等。目前人工湿地技术最大问题在于缺乏长期 运行系统的详细资料【5 7 1 。 国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样【5 明。按照工程设计和水体流态的 差异，人工湿地污水处理系统可以分为表面流湿地，水平潜流湿地和垂直流湿地 三种主要类型，各类型在运行、控制等方面的诸多特征存在着一定的差异。其中， 表面流湿地不需要砂砾等物质作填料，造价较低，但水力负荷较低，该类型在美 国、加拿大、新西兰、瑞典等国有较多分布；水平潜流湿地的保湿性较好，对 b o d 、c o d 和重金属等去除效果好，受季节影响小，目前在欧洲、日本应用较 多：垂直流湿地综合了前两者的特点，但其建造要求较高，至今尚未广泛使用。 1 1 2 3 生物膜法处理技术 生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象，农田灌溉时土壤 对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程，总结、模拟而发展起来的一种污水 处理技术。它使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状，通过与污水接触， 华东师范大学硕士论文 富营养他水体生物栅修复技术中徽生淼种群结构研究 生物膜上的微生物摄取污水巾的有机物作为营养吸收并加以同化，从而使污水得 到冷纯。主要工艺方法有生物塞遘、生物滤滚、生物渡魅氧饯洼等。生物骥法具 有较商的处理效率，它的有帆负荷较高，设备耐冲击力强，接触停留时间短，减 少麦滚瑟鬏，节省授瓷，污淀懿发生爨大丈躐多，爱痰嚣易予实瑶簦谚耽管攥等 优点。其缺点是处理规模不犬，生物滕法目前的处理设施较大的容量仅为每天几 千立方米【捧l 。目前，生物簇法应用研究开爱较好鹃潮家有荷麓、丹麦、德国、漠 大利旺等国删。生物膜法对予受有机物及氨氮轻度污染水体肖明显的效果，日本、 韩国簿都有澍江河犬水体修复的工程实例。 1 1 2 4 微生物毒4 热技术 微生物制剂技术应用于水体改蒋是指选育高效谪株处理特定废水或污染水 嚣。其遘程苏夔健反凌鸯基懿，遂过生凌薅蠹产生戆爨骞整纯葫缒簿特殊蛋是爱 作为催化剂，净化污水、分解淤泥、消除恶臭。微生物制剂技术主要优点是能迅 速撬舞污染余震孛静微生戆浓囊，并冒望在簸麓蠹掇高污染物豹生物降解逮率， 另外生物反威通常条件温和，投资省、费用少、消耗低，而且效果好、过程稳定、 揉作简便。箕缺点是鬻保持穗好的承体改善效果，需根据水体变纯情况，不断投 加，可作为水体生态修复过程中鲍辘勋接施。微生物制剡技术适合封闭缓流水体， 在藻类大量爆发前使用，可弥补微生物制剂通常见效时间较长的缺点。 i 2 生物耨修复技术介绍 1 2 1 生物撵修复技术俺介 嫩物栅怒一种为参与污染物净化的功能细菌、浮游植物、原生动物、微数后 生动物等提供瓣蓑生长条传，形残生绣缝捻会理，污染携降辫转曩二功艇强大黪生 态系统。它魑在固定支架上设置绳状嫩物接触材料，使大量参与污染物净化的生 兹在鼗生长，峦子荚溪着生羲焉苓荔被大鼙永生动物秘鱼类嚣食，馒攀位体积豹 水体中生物数基成几何级数增加，大大强化了湖水的净化能力。 麓獍褥静核心硬件为嚣髋支架及微生物载体填料，这些填料具有很大的袭面 积，火量参与污染物净化的微生物藏群、浮游植物、原生动物、微型黼生动物附 着、寄詹在填料表面，共同构建形成其有高效快速净化污染的生物膜反应器。生 物搬凝有缀麓的生物爨，污染永囊滚怒生鐾攫时污染物质褥戮快速、襄效地净傀。 生物栅填料具有良好的弹性，适合于河道水体复杂多变的水动力学条件，不会造 6 华东师范大学硕士论文 富营葬化水体生物橱修复技术中微生态种群结构研究 成净化装置的堵塞和生物膜大量脱落。根据水体的污染特点、程度及净化要求， 生物栅可以设计成尺寸、型式各异的模块，还可以对生物栅微生物生态系统建群 的工具物种及生物栅的设置地点进行人为选择及调控，在实施现场进行灵活布 置，是一种有良好发展前景的生物修复技术。近年来，我们在苏州河支流一绥宁 河的黑臭污染治理工作中，研发并应用球形填料构建生物栅( 网) ，现场试验结果 表明，生物栅对河道中有机垃圾、油污等多种污染物具有显著的拦截、净化作用。 1 2 2 生物栅修复技术机理研究及其发展现状 生物栅就是将生物膜技术与水生植物加以结合用以扩大生物( 主要是微生 物，同时也包括其他生物) 附着表面积的一种新颖污染净化技术。与其他类型的 技术相比，生物栅更适合于污染水体的强化净化与生物修复。生物栅修复技术对 污染水体的处理综合了生物、物理、化学三种作用，其填料表面和植物根系中生 长了大量的微生物形成生物膜。在这个系统中，微生物生存的基础环境由原来的 气、液两相转变成气、液、固三相，这种转变为微生物创造了更丰富的存在形式， 形成一个在纵、横两个方向相互关联，更为复杂的复合式生态系统。在纵向上， 微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成 的复杂生态系统；在横向上，沿着液体到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型、 附着好氧型、附着兼氧型、附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类 型的微生物系统。污染水体流经时，悬浮物被填料和根系阻挡截留，有机质通过 生物膜的吸附及同化、异化作用而除去。系统中还同时配置水生植物、浮游藻类， 放养底栖动物、滤食性动物等，是各生态元素集成化的系统。下面将介绍这一方 面的主要研究进展情况。 l ，2 2 1 填料 作为微生物载体，填料的选择应遵循以下原则：有一定的机械强度，较大的 比表面积，生物、化学及热力学稳定性好，一定的孔隙度及表面粗糙度，对生物 膜活性无明显抑制性，价格低廉。 填料的种类很多。通常分成两大类：无机类填料、有机类填料。无机类填料 在生物膜技术发展的各个阶段均起着重要作用。从最初的砂石到现在被广泛采用 的活性碳。大多数无机类填料机械强度相对较好，但比重较大。有机类填料是目 前最具发展前途的生物膜技术，它以高分子聚合物为材料，根据过程的需要，加 华东师范大学硕士论文富营养化水体生物栅修复技术中微生态种群结构研究 工成各种形状，并可具有不同的表面性质，以便最好地满足反应器物理、生物特 征的需要。本试验主要选用球形填料、组合填料、悬浮填料以及自创的填料四种。 1 2 2 2 微生物 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。生物栅处理污水时， 有机物的降解和转化也主要是由填料和植物根区微生物活动来完成的。生物栅中 微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制。水生植物通过通气组织的运输， 将氧气输送到根区，从而形成了根表面及附近区域的氧化状态，废水中大部分有 机物质在这一区域被好氧微生物利用而分解成为c 0 2 和水：有机氮化物等则被 这一区域的氨化细菌、硝化细菌所降解和进一步转化。 1 2 2 3 水生植物 水生植物在生物栅中起着十分重要的作用【6 ”。一方面水生植物自身能吸收一 部分营养物质，同时它的根区为微生物的生存和降解营养物质提供了必要的场所 和好氧厌氧条件。系统中植物根系常形成一个网络样的结构，在这个网络中根系 不仅能直接吸附和降解污水中的氮磷等一些营养物质，而且还为微生物的吸附和 代谢提供了良好的生物物化环境条件。同时附近的微生物通过代谢，消耗了水体 中的溶解氧，使之呈现厌氧状态，而厌氧状态有利于反硝化过程，从而能最大限 度地除去污水中的n 0 3 。另一方面水生生物将氧气从上部输送到根部，从而在 根区或根际形成一种好氧环境，这一环境能刺激有机物质的分解和硝化细菌的生 长，从而达到去除污水中氮磷等营养物质的目的。 1 2 2 4 着生动物 水体中着生的螺、蚌等滤食性动物，将水中悬浮的藻类及有机碎屑滤食、转 化，增加水体的透明度。螺蛳等主要刮食固着藻类，捕食微型动物、水生植物， 同时还能分泌一些促絮凝物质，使湖水中悬浮物质絮凝，作为其食物，减少脱落 生物膜，促使水变清。 但是生物栅修复技术到目前为止还处于起步阶段，没有得到广泛的应用，关 于生物栅填料选用、物理结构优化、生物栅中生态要素确定以及优化等等都需要 进行深入的探讨。 1 3 生物栅修复技术中微生态种群结构研究进展 在污染水体的生物修复中，溶解性的有机物在有氧条件下被水体中好氧性微 华东师范大学硕士论文 富营养化水体生物栅修复技术中微生态种群结构研究 生物( 分解者) 分解成c 0 2 、h 2 0 、p 0 4 3 、c h 4 、h 2 s ( s o n 等无机物，使之净 化。分解产物n h 3 、p 0 4 3 等被水体中的藻类等生产者所吸收，它们在光照条件 下进行光合作用放氧，使缺氧的水体恢复至好氧状态，这为微生物降解污染物提 供了必要的电子受体，使好氧性微生物对污染物的降解能顺利的进行。微型动物 则通过吞噬过多的藻类和微生物，间接的对水体起净化作用，同时维持生态系统 的平衡。综上所述，经生物修复后，水体中代表好氧洁净状态的各类微生物数量 有所增加，并向良性生态区系演替；微生物由厌氧向好氧演替，生物种群由低等 向高等演替，水体中生物多样性增加。 生物栅净化池作为一个微生态系统，蕴藏着巨大的生物资源，主要包括微生 物、浮游植物和浮游动物。因此，了解和检测水体中微生物、浮游植物和浮游动 物的时空分布、种群结构、多样性以及微生态演替，对于阐明水体中有机物的降 解和转化规律具有十分重要的意义。 1 3 1 生态系统中微生物研究进展 1 3 1 1 生态系统中微生物群落的研究 近几年来，微生物群落结构成为研究的热点。微生物群落结构决定了生态功 能的特性，微生物群落结构的高稳定性是实现生态功能的重要因素，同时微生物 群落结构变化是标记环境变化的重要方面。然而由于微生物的微观性、代谢活动 的多样性、复杂性，以及它们广泛的适应性和变异性等特点，人们不可能对所有 微生物逐个进行分析和研究，而只能有目的地分析和研究某些重要功能微生物的 数量、特性和功能等，以研究整个微生物生态系统的功能。目前，研究微生物群 落结构的方法主要有三种：传统法、原位观察法和分子生物学法。 从年代上来看，微生物群落结构研究方法的发展可以分为三个阶段。2 0 世 纪7 0 年代以前主要依赖传统的培养分离方法，依靠形态学、培养特征、生理生 化特性的比较进行分类鉴定和计数，对微生物群落结构的认识是不全面和有选择 性的，方法的分辨水平低。在7 0 和8 0 年代，研究人员通过对微生物化学成分 的分析总结出了一些规律性的结论，从而建立了一些微生物分类和定量的方法即 生物标记物方法，对微生物群落结构及多样性的认识进入到较客观的层次上。在 8 0 和9 0 年代，现代分子生物学技术以d n a 为习标物，通过r r n a 基因测序 技术和基因指纹图谱等方法，比较精确地揭示了微生物种类和遗传的多样性，并 9 华东师范大学硕士论文富营养化水体生物橱修复技术中徽生态种群结构研究 给出了关于群落结构的直观信息。本论文考虑到各种方法的优缺点，主要采用了 传统的微生物培养计数法、e r j c