扬水曝气系统对分层型水库浮游细菌的调节作用研究

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深水型水源水库季节性热分层现象会给水质带来严重影响,引起水质恶化和富营养化现象。扬水曝气技术作为一种新型的原位水质改善技术,能够利用混合充氧技术打破水体热分层结构,正广泛应用于国内多个水源水库的水质修复工程中。为了研究扬水曝气技术对典型分层型水源水库浮游细菌的调节效果及其作用机制,选取西安市水体营养状态不同的李家河水库和金盆水库作为研究对象,在对其进行水质分析的基础上,结合流式细胞技术、Biolog微平板技术以及16s rRNA高通量测序技术等研究方法,分析了两个水库的浮游细菌数量、代谢活性以及物种组成分布在扬水曝气系统运行前后的变化情况,并探讨了造成这种变化的可能原因,从而对扬水曝气技术对浮游细菌的调节机制作出解释。本研究得出的主要成果和结论如下:(1)扬水曝气系统的诱导混合和持续充氧作用能够有效破环自然状态下水体在夏秋季形成的热分层结构,使两水库垂向温差降至1℃以下,由于温跃层而形成的低氧区则向下迁移直至消失;系统运行前后,两水库的CODMn峰值分别削减了45.40%和20.63%,而水体受到氮素污染后,系统的持续运行使两水库各自平均总氮浓度分别下降了26.28%和25.00%。水质改变势必会对土著浮游细菌的种类和活性产生影响,而水质的改善可能与浮游细菌代谢能力的增强有关。(2)在浮游细菌数量方面,扬水曝气系统的运行可使细菌总数在垂向上的分层性差异显著减小,可培养细菌含量较运行前增长近10倍,且能够有效提高高核酸细菌(HNA)占比,这一定程度上反映出系统运行对浮游细菌生命活动的促进作用,有利于水体中有机污染物及营养盐的生物降解。(3)在浮游细菌活性及代谢能力方面,扬水曝气系统能够打破其热分层时期“表底低、中部高”的分布规律,使其在垂向分布上则呈现均衡化形态;系统运行期间,浮游细菌总代谢活性较运行前增幅可达174.15%,McIntosh多样性指数平均增幅可达92.10%,且这种提高在运行结束后仍具有持续性;同时系统运行使浮游细菌对糖类和醇类的代谢能力提高200%以上,对a-D-乳糖、L-苯基丙氨酸、I-赤藻糖醇和2-羟苯甲酸四种碳源的利用能力可达到运行前的8倍以上。这表明扬水曝气系统可强化细菌对水体污染物的降解功能和效率,从而有效控制内源污染。(4)浮游细菌种群结构受水质、降雨径流和扬水曝气系统运行的多重调控作用。扬水曝气系统运行在提高并均衡浮游细菌物种丰富度、多样性和均匀度的同时,使富营养化水库的蓝藻细菌(Cyanobacteria)较运行前削减了94.08%,证明其显著控藻效果;对于降雨径流带来的冲击和波动,扬水曝气系统则能够通过对浮游细菌的垂向均化作用快速修复水体生态环境的稳态。(5)扬水曝气系统对浮游细菌参与地球生物化学循环的情况具有调节作用:产氧光合作用菌群被显著抑制,而参与氮元素、硫元素、氢元素、铁锰元素循环的菌群以及能够促进水体脱氮的好氧反硝化潜能菌群得到明显强化。通过对水体环境的改变,扬水曝气系统强化了水体中相关功能菌群的生长繁殖,使水库水体生态环境物质交换和能量循环过程活跃化,从而更好地促进内源及外源污染的生物降解,最终达到水库水质修复的目的。(6)营养状况不同的两水库浮游细菌数量、代谢活性和种群分布差异与水质差异之间存在偶联和响应关系,但扬水曝气系统对两者的水质改善和生物调节机制基本相似。
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