砷胁迫下两株好氧反硝化细菌的反硝化特性及其对氮污染的修复作用研究

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环境中的污染大多数是多种污染物并存的复合污染。云南湖泊中阳宗海、大屯海、滇池均存在不同程度的砷、氮复合污染,对生物的健康具有极大潜在威胁。相对于化学法、物理法,利用微生物修复氮污染环境,具有成本低廉、无二次污染等优点。在好氧条件下,好氧反硝化细菌的反硝化特性为修复氮污染环境提供了新途径,但重金属砷的存在可能会对好氧反硝化过程产生抑制作用。另一方面,目前利用好氧反硝化菌处理氮污染的研究多集中于废水治理领域,而对实际受污染水体以及沉积物的生态修复同样具有研究价值。因此,本研究在筛选和探究好氧反硝化细菌菌株生长曲线的基础上,通过单因素试验,主要探究各环境因子和无机砷对菌株好氧反硝化作用的影响;并利用菌株对阳宗海泥水混合物进行生态修复,探究菌株添加对上覆水及其沉积物中各形态无机氮浓度以及细菌群落结构的影响。主要研究结果如下:(1)从黑臭水体泥水混合物中筛选出三株好氧反硝化细菌HJ1、HJ9、HJ12,经鉴定菌株HJ1、HJ12属于假单胞菌属(Pseudomonas),菌株HJ9属于无色杆菌属(Achromobacter)。在100 mg/L NO3--N反硝化培养基中,HJ1、HJ9、HJ12三株菌株NO3--N去除速率分别为5.72、4.64、8.00 mg·L-1·h-1,菌株HJ1、HJ12菌液中NO2--N无明显积累,总体上,反硝化能力HJ12>HJ1>HJ9。(2)菌株HJ1对环境酸碱度具有较广的生态幅度,能适应p H值为6~10环境,具有耐弱酸和耐碱性,最适温度范围为25~30℃,最适C源为丁二酸钠,适宜C/N范围为20~24;菌株HJ12对环境温度具有较广的生态幅度,适应30~40℃的环境温度,更能耐受较高的温度和较大温度的变化,最适p H值为7~8,最适C源也为丁二酸钠,最适C/N为12~24。(3)环境中无机砷浓度越高,对好氧反硝化作用的抑制作用越明显,且As(Ⅲ)对菌株的胁迫作用要大于As(Ⅴ)的。具体表现为:As(Ⅲ)浓度越高,菌株HJ1的反硝化过程受到的抑制作用越明显;10 mg/L As(Ⅲ)对菌株HJ12反硝化过程产生明显抑制作用,而10 mg/L As(Ⅴ)对菌株HJ12的反硝化过程无显著影响。总体上,菌株HJ1、HJ12对重金属As均具有一定耐受性,菌株HJ12对无机砷的耐受性要强于菌株HJ1。(4)菌株HJ1、HJ12对环境中砷具有还原作用和生物吸附作用,在初始As(Ⅴ)浓度分别约为:0.25、5.00、10.00 mg/L培养基中培养24h和12h后,菌液中分别含有0、217.47、614.46μg/L和0、217.20、677.83μg/L As(Ⅲ);且培养基中总砷浓度分别下降了19.78%、16.93%、11.89%和21.55%、17.32%、17.22%。(5)分别添加菌株HJ1、HJ12修复阳宗海湖滨泥水混合物样品,相对于对照组,两株菌株均能显著降低上覆水中的NO3--N、NO2--N浓度,但上覆水中NH4+-N浓度在添加菌株HJ1或HJ12后,均表现出上升后下降的趋势;因此总氮浓度变化不明显。此外,分别添加菌株HJ1或HJ12均会显著改变上覆水细菌群落结构,Proteobacteria相对丰度分别高达99.65%、99.96%,而对照组仅为69.58%,但两株菌株均无法在上覆水中长期保持高相对丰度,上覆水细菌群落结构短期内便会得到恢复。添加菌株HJ1、HJ12对沉积物中各无机氮浓度和细菌群落结构则均无显著影响。冗余分析表明,各形态无机氮与微生物群落结构存在显著相关性。在上覆水中,Proteobacteria与NH4+-N浓度呈显著正相关关系,同时与NO3--N、NO2--N浓度呈显著负相关关系;Actinobacteria、Bacteroidetes、Patescibacteria等菌门则与NH4+-N浓度呈显著负相关关系,同时与NO3--N、NO2--N浓度呈显著正相关关系;Nitrospirae与NO2--N浓度呈负相关关系。在沉积物中,Proteobacteria与NO3--N浓度同样呈显著负相关关系,Chloroflexi与NO3--N浓度呈显著正相关关系;NH4+-N浓度与Bacteroidetes呈显著正相关关系,与Acidobacteria、Actinobacteria呈显著负相关关系;Nitrospirae与NO2--N浓度呈负相关关系。在实际生态修复应用中,好氧反硝化菌HJ1、HJ12均表现出一定的生态修复效果,能显著降低上覆水中NO3--N、NO2--N浓度,但由于受到DO浓度及种群竞争等条件限制,存在单一纯菌株无法在环境中长期保持高相对丰度的现象,从而无法长期稳定地修复受污染环境。今后可基于现有菌株与无机氮及细菌群落结构的相关性,提高生态修复能力,为氮污染环境的治理提供生态修复途径。
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