李家河水库扬水曝气系统强化细菌种群结构与水质改善研究

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为探究扬水曝气系统(WLAs)对李家河水库水环境改善效果,通过水体物理化学指标和水质指标检测,并结合三维荧光光谱-平行因子分析法、高通量测序及紫外可见吸收光谱法,分析氮磷等污染物浓度的减少和有机物削减程度;探究WLAs对水源水库微生物种群结构及丰富度的影响,为水源水库水质原位改善提供理论依据。主要研究内容如下:(1)人工强制混合对李家河水库水环境的改善效果分析;(2)混合充氧对李家河水库有机质的原位削减作用机制研究;(3)人工强制混合对细菌群落丰富度与多样性的调控。主要结论如下:(1)系统运行改善了水库底部的厌氧环境,抑制了内源污染释放。在2021年三次系统运行期间,温跃层厚度分别降低了93.86%、81.28%和68.77%,热分层结构稳定性指数(RWCS)分别降低了75.17%、39.71%和43.61%。扬水曝气系统运行可以有效地减小温跃层的厚度,破坏水体的热分层结构,实现表底层水体的均化。(2)2021年三次扬水曝气系统运行,总氮(TN)总质量分别降低了1.06 t、8.92 t和19.82 t,总磷(TP)总质量分别降低了0.60 t、0.62 t和0.40 t。TN和TP均值浓度分别削减了2.8%、21.6%、6.9%和68.4%、38.5%、18.6%;氨及亚硝氮均值浓度在三次系统运行期间削减率分别是28%、62.9%、35.18%和21.7%、60.9%、57.7%;溶解性有机碳(DOC)及铁离子均值浓度在三次系统运行期间削减率分别为2.1%、9%、0.5%和81.8%、50%、75%。三次系统运行期间,水质评价指数(WQI)分别增长了13、8及1,TLI指数分别减少了15、8和1,水环境得到明显改善。(3)水体强制混和过程中,细菌代谢活动加强、有机质的降解及大分子量溶解性有机质(DOM)占比增加:在2020年三次扬水曝气系统运行阶段,CODMn、DOC、a355、总荧光强度、类蛋白(Fn(280))均值浓度及类腐殖质(Fn(355))均值浓度均有不同水平的降低,有机质浓度降低。紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)显示,E2/E3及SR在系统运行前后差异性显著,包括腐殖质在内的大分子量DOM占比增加;据三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)显示,扬水曝气系统运行阶段,腐殖化指数(HIX)降低、自生源指数(BIX)升高,水体腐殖化程度减弱。(4)扬水曝气系统运行促进了有机质及氮磷等污染物降解相关的细菌种群结构及活性增加,有利于水环境的改善。对细菌群落结构分析,发现所采样本中所有细菌分属于54个门、160个纲、350个目、567个科、1005个属和1860个种。变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Baceroidetes)、蓝藻门(Cyanobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteriota)为门水平的优势菌群;在属水平上的优势细菌群落为CL500-29_marine_group、hgc I_clade等。扬水曝气系统(WLAs)运行,促进了水质改善的有益菌例如hgc I_clade、CL500-29_marine_group、Flavobacterium、Acinetobacter和Pseudomonas生长。表层、中层和底层Shannon指数增幅分别是3.28%、3.73%和6.57%。水体的Simpson指数表层和中层分别减少了0.003和0.0155。表层、中层及底层水体ACE指数和Chao1指数比运行初期分别增加了3.55、3.16及6.16倍和2.79、1.51和4.97倍,细菌及微生物代谢活动加强。
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