人工湿地微生物生态学研究.pdf
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1、人工湿地微生物生态学研究(山东省城建设计院,济南 250000)摘要:本文从微生物生态学的角度阐述了脱氮的细菌和真菌、硫酸盐还原细菌以及和产甲烷细菌等主要功能微生物的相关研究进展,并总结了水生植物、营养物质以及基质、温度等对人工湿地中微生物的空间分布的影响,对人工湿地微生物生态学的前景进行了展望,为相关研究提供资料和借鉴。关键词:人工湿地;微生物生态学;功能微生物;空间分布中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1674-263X(2023)04-0001-03Abstract:From the perspective of microbial ecology,this paper r
2、eviewed the research progress of major functional microorganisms such as nitrogen-removing bacteria and fungi,sulfate-reducing bacteria and methanogenic bacteria,summarized the effects of aquatic plants,nutrients,substrate,temperature and other factors on on the spatial distribution of microorganism
3、s in constructed wetlands.It provides an outlook on the microbial ecology of artificial wetlands and serves as a reference for relevant research.Key words:constructed wetland;microbial ecology;functional microorganisms;spatial distributionResearch on microbial ecology of constructed wetlandsZHAO Shu
4、da,WANG Zheng,DING Xiaoyang(Shandong Urban Construction Design Institute,Jinan 250000,China)人工湿地是以一种模拟自然湿地系统,通过人工建造,将基质、植物、微生物等组合而成的一种污水处理系统1-2。主要通过微生物分解作用、植物吸收、基质的吸附以及离子交换等一系列反应,来达到污水处理的目的。人工湿地系统中,利用微生物的代谢作用,可以有效降低湿地水体中有机污染物的含量。近几年,对人工湿地的研究从基质、植物种类、处理效率等方面渐渐深入至微生物生态型领域。因此,对人工湿地系统中微生物的生态学研究更能够有效帮助我们
5、理解在湿地净化过程中,组成人工湿地的各成分之间的协同处理效果和净化机制,并为提高人工湿地的处理效率和了解人工湿地的生物多样性提供理论指导。1人工湿地系统中微生物功能概论现今,对人工湿地系统中的微生物生态学的研究主要集中在参与脱氮的细菌和真菌、硫酸盐还原细菌以及和产甲烷细菌等微生物。1.1 人工湿地中参与脱氮作用的微生物菌种人工湿地具有良好的脱氮效果,其系统中具有脱氮功能的氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌丰度均处于较高水平,这也是利用人工湿地进行深度脱氮的主要原因。研究表明,湿地系统的脱氮菌属主要包括了 AOB、Thauera、Denitratisoma 等。Aakanksha 等3对
6、印度斋普尔两个深层人工湿地的脱氮进行研究分析发现,除微生物的硝化-反硝化作用外,Anammox 是人工湿地脱氮的关键途径之一,其中 AOB 菌属的丰度明显提高;邵媛媛4通过对人工湿地六类高效脱氮菌进行研究发现,LZ-4,LZ-14,XP-1,XP-2,CL-1,CL-3污水中的氮具有良好的去除效果,均可作为强化人工湿地的优势菌群。近几年研究发现,在好氧或中度还原条件下,真菌和细菌的反硝化作用基本相同。近年来,对人工湿地脱氮微生物分子水平甚至基因序列等水平的研究也愈发广泛。研究发现,氮转化速率与编码氮转化关键酶的基因存在着明显的定量响应关系。人工湿地中脱氮微生物进行氨化、硝化、反硝化作用的关键酶
7、的编码基因主要有 amoA,收稿日期:2023-06-06 作者简介:赵树达,工程师,研究方向为市政给水、排水工程设计。赵树达,王政,丁小洋Vol.36 No.4Jul.,2023第 36 卷 第 4 期2023 年 7 月黑 龙 江 环 境 通 报HEI LONG JIANG ENVIRONMENTAL JOURNAL2第 36 卷黑 龙 江 环 境 通 报nosZ,nirS 等。李鹭珍等5在对潮汐流人工湿地的研究中,检 测 出 ANO、(nap A+nar G)、amo A、nxrA、nirS、qnorB 和 nosZ 等 8 种氮转化功能基因,建立了不同水文条件下氮转化速率与氮转化功能基
8、因之间的定量响应关系。Jones 等6研究发现,编码反硝化作用的基因序列 nosZ 广泛存在于反硝化微生物中。研究结果表明,人工湿地中氮的转化过程存在多种机制,是多种脱氮菌属和功能酶联合作用的结果。1.2 人工湿地中参与硫转化作用的微生物菌种含酸废水中含有硫酸盐,当此类受污染的水体进入人工湿地系统中,会造成脱硫菌种富集。硫酸盐还原菌属于厌氧菌,广泛存在于地下水管道以及河湖等缺氧环境中,硫酸盐还原菌能够还原硫酸盐为硫化氢。有研究表明,当湿地水体中硫酸盐含量高时,湿地中的硫酸盐还原菌会逐渐变为优势菌种。Yang 等7对污水中的缺氧硫化物进行研究发现,当湿地中硝酸盐浓度较低而硫酸盐含量较高时,硫酸盐
9、还原菌为优势菌属。污水中的硫氧化细菌可以氧化硫化物来获得能量。研究发现,硫氧化细菌的代谢方式丰富,例如,某些自养型硫氧化细菌能够在厌氧条件下利用乙炔合成有机物,并通过氧化硫化物获得能量;异养型硫氧化菌则是以有机物作为碳源,也可以将硫化物作为能量来源。硫酸盐是许多被污染水体中的常见污染物,并且,含硫化合物普遍存在于人工湿地中,对人工湿地在硫元素的转化研究方面需要进一步分析和探索。1.3 人工湿地中参与甲烷转化的微生物菌种甲烷是自然环境中重要的温室气体。研究发现,自然湿地和农田湿地会向环境中释放大量的甲烷气体。在人工湿地中,产甲烷菌和甲烷氧化菌对甲烷气体的排放有重要影响。污水中的有机物能够在厌氧条
10、件下,通过水解发酵菌和产甲烷菌协同处理,将其最终氧化为甲烷气体。Conrad 等8研究了巴西潘塔纳尔和亚马逊地区 16 个不同湖泊沉积物的样品来测量甲烷气体的产生情况,确定了产甲烷古菌中细菌和丰富程度及其群落组成和多样性,CH4的产率和 CO2与沉积物中有机质含量和古细菌丰度有关。甲烷氧化菌,是以甲烷作为唯一碳源和能源进行同化和异化代谢的微生物。可以在氧气的作用下催化甲烷等低碳烷烃或烯烃羟基化或环氧化,并最终转换成 CO2,同时,还可以将甲烷同化,转化为生物体可利用的碳源。在某些条件下,甲烷氧化菌可以在代谢过程中产生某些中间产物,如甲醛等,这些中间代谢产物可以作为其他微生物生长发育的营养物质。
11、程呈9对人工湿地中产甲烷群落进行研究分析发现,经过 500d 的富集培养,甲烷氧化菌功能基因 pmoA 增加了 38,甲基球菌目中的甲基暖菌属成为相对丰度最高的甲烷氧化菌。2人工湿地微生物空间分布的影响 因素2.1 水生植物对微生物的影响水生植物对人工湿地中微生物空间分布的影响主要表现为:1)水生植物作为各种微生物、微型动物生长繁殖、栖息的场所;2)人工湿地中,植物的根系部分会进行泌氧,使根区附近的溶解氧浓度升高,更有利于好氧微生物的生长,同时,距离根区较远的部分溶解氧浓度则相对较低,营兼性或缺氧呼吸的微生物数量则较为丰富;3)植物根部分泌的低分子量有机物作为微生物生长的营养来源;4)湿地系统
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