生态工程中自然生物膜对富营养水质的适应性研究

现有研究表明生态工程对净化富营养污水时具有较高的效率，并且其中的自然生物膜在去除营养物质时扮演着重要的角色，然而，生物膜是如何适应这种富营养水质侵扰进而降低污水营养水平的科学问题至今尚未解答。为了解答这一科学问题，本研究在现有研究基础上，利用生态工程中原位富集与培育的自然生物膜为研究对象，在不考虑生物膜内部各个体之间的相互作用，将生物膜视作为一个整体的情况下（因为将生物膜视作整体更具生态学意义），在建立微宇宙可控制研究装置的基础上，利用TEM、SEM、Biolog,PLFA, GC/MC、Phyto-PAM等分析技术，重点研究自然生物膜形态结构以及次生代谢物对富营养水质的适应过程；并利用PCR技术，研究生物膜分子多样性和遗传特性对过量营养侵扰的适应过程。研究结果将合理、充分地从本质上解释以上提出的科学问题，同时为提高生态工程中营养物质的去除效率以及快速培育自然生物膜提供理论依据。

为了避免单一微生物群落的相互干扰，以自然生物膜为微生物聚集体建立微宇宙可控制研究装置，利用TEM、SEM、Biolog, PLFA, GC/MC、Phyto-PAM 等分析技术，重点研究了自然生物膜形态结构对富营养水质的适应过程；并利用PCR技术，研究生物膜分子多样性和遗传特性对过量营养侵扰的适应过程。.监测结果表明，低温生物反应器对于污水COD去除率随着时间而增加，驯化培养7个月后基本稳定在71.80%，常温生物反应器的去除率始终高于85%。当温度低于40℃时，低温反应器中微生物的脱氢酶活性始终高于常温微生物，且最适温度下的酶活较常温高了27.5%。BIOLOG和PCR-DGGE的结果表明，在低温和常温下，经过低温驯化培养的微生物对于碳源利用的能力明显高于未经过低温驯化培养的微生物，但二者对于六类碳源的优先利用顺序基本一致，依次为氨基酸、多聚物、羧酸、糖类、酚酸、胺类。同时，低温和常温反应器中均存在多种微生物，以温度为主要区分因素，常温反应器中微生物的多样性多于低温。.将自然生物膜引入面源污水的处理中，深入探讨自然生物膜对面源污水中磷的去除过程及其机理。结果表明在48小时内，不论无机磷还是有机磷面源污水，自然生物膜可以有效降低污水中的磷浓度，在初始浓度不超过13mg P L-1时，最大去除率可高达100%。然而，随着磷浓度的不断增大，自然生物膜对磷的去除率不断降低，超过一定的磷浓度（无机磷40 mg P L-1和有机磷浓度30 mg P L-1），自然生物膜便不能正常生长，对磷的去除能力急剧降低。进一步控制实验结果表明，NaN3处理后的自然生物膜对磷（无机磷和有机磷）的去除率和对照相比无显著差异，表明自然生物膜对磷的去除在适应期主要是依靠吸附过程。.同时，通过动力学和热力学模型拟合，表明自然生物膜对磷的吸附是具有物理性质的自发过程，主要可以分为三阶段：初期的外部传递(0-4 h), 中期的粒子内部扩散 (4-16 h), 以及后期的平衡饱和阶段（16-48 h）。高浓度氮磷水体侵扰27 天时，其对生物膜微生物总量影响不大，但是影响了群结构变化。不同氮磷比处理下，生物膜磷脂脂肪酸（PLFA）总含量随着侵扰时间增加而先增加后降低，且后期下降至较低水平。