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本文针对河流微生物脱氮这一热点问题,以白洋淀入淀河流——府河为研究对象,在全面回顾和总结前人研究成果的基础上,从水-陆界面的新视角出发,采用分子生物学技术和稳定性氮同位素示踪方法,研究河流氮迁移转化过程与界面生物脱氮机制。探究了府河氮污染的来源及其对白洋淀富营养化的限制,摸清了府河氮迁移转化的时空特征,模拟了水-陆界面脱氮过程,建立了水-陆界面氮循环功能菌群基因数据库,确定了界面生物脱氮的耦合机制。为府河氮污染治理和白洋淀富营养化控制提供了理论指导和技术支撑。主要研究成果如下：
⑴通过对近20年来府河水质历史数据的分析与近3年的连续现场监测,确定氮、磷绝对浓度严重超标,总氮(TN)浓度为9.04-47.94 mg/L,总磷(TP)浓度为0.68-3.15 mg/L,属于劣Ⅴ类水体(GB3838-2002)。府河以氨氮(NH4+-N)污染为主要特征,属于低氧高氨氮河流。对府河氮磷营养盐的相对关系研究表明,府河氮磷比接近10-17,有利于水生高等植物生长,因此,直接导致下游白洋淀呈现出草型富营养化的特征,其限制因子是氮。
⑵稳定性氮同位素示踪实验表明,府河氮污染的主要来源是上游保定市生产生活废水和二级污水处理厂尾水,农业面源的贡献不大。在枯水期和平水期,脱氮过程以硝化和反硝化作用为主；在丰水期,NH4+-N主要被植物吸收,硝氮(NO3--N)通过植物吸收和反硝化作用去除,反硝化的贡献占44.6％。水-陆界面上有机氮矿化作用产生NH4+-N,扩散入上覆水并进一步发生硝化作用,所生成的NO3--N则进入沉积物并由反硝化作用去除。
⑶通过微生物分析与常规检测,确定了水-陆界面氮循环功能菌群与环境因子的响应关系。氨氧化菌丰度受氧化还原电位(ORP)、NH4+-N和NO3--N浓度的共同影响,ORP是影响硝化强度的主要因素。反硝化细菌丰度受NO3--N浓度影响；反硝化强度与反硝化菌多样性分布受NH4+-N和NO3--N浓度共同影响。NO3--N和ORP对厌氧氨氧化菌多样性分布影响最大。水-陆界面脱氮过程以耦合的硝化-反硝化作用为主。
⑷采用分子生物学方法,建立了水-陆界面氮循环功能菌群的基因数据库。好氧氨氧化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌可以在水-陆界面共存,其中在水-土-气界面上脱氮菌群多样性最高。好氧氨氧化菌主要属于β-Proteobacteria,可分为三个大类:Nitrosomonaseutrophaea,Nitrosospira sp.和Nitrosolobus multiformis,且以Nitrosomonas eutrophaea类细菌最丰富。厌氧氨氧化菌主要属于Candidatus Brocadia和 Candidatus Jettenia。反硝化菌主要属于α-,β-和γ-Proteobacteria,其中超过一半的克隆序列与未经培养的反硝化菌序列聚类在一起。
⑸对水-陆界面土著脱氮菌群进行了筛选和培养,获得10株优势反硝化细菌,大部分属于Pseudomonas属,其中两株具有显著的脱氮性能,在24 h内NO3--N降解率分别为99％和98％。以柠檬酸钠作为碳源时,脱氮效果最好,最佳碳氮比(C/N)介于3-5,适合的pH为7.0。当NO3--N浓度大于300 mg/L时,两株菌仍具有良好的脱氮效果,24 h内NO3--N降解率分别为99.5％和98.9％。进一步鉴定表明两株菌为异养硝化细菌,对NH4+-N的最大转化率为91.8％,其异养硝化性能对低氧高氨氮河流具有重要的应用价值。
⑹建立了多级A/O串联模拟实验系统,进行了河流水-陆界面生物强化脱氮实验。在不投加微生物的情况下,随着NH4+-N浓度的升高,NH4+-N去除效率逐渐降低,溶解氧浓度成为限制因素；当C/N比为4时,系统对氮的去除效率最高。在投加所分离的两株脱氮菌的情况下,可以有效提高系统对NH4+-N和NO3--N的去除效率。在系统A/O界面上菌群多样性最丰富,其次是好氧区和厌氧区,界面硝化过程和反硝化过程交替或同时发生,进而实现高效脱氮。