CN104326558B - 模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置及使用方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生态工程技术领域，具体涉及一种模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置及使用方法和应用。本装置由有机玻璃柱体，试验柱体顶部的气体采集箱、双层有机玻璃柱面的水体温度控制系统、电脑监控单元、原位水体储水单元组成。模拟试验柱体的内部为沉水植物(伊乐藻)、原位底泥沉积物、温度探头、pH探头、溶解氧探头。本装置能完成对整个模拟培养过程中温度、pH、溶解氧的实时监控，能定期完成对装置内的产气情况的测定、水体营养盐浓度的测定、底泥沉积物中厌氧氨氧化细菌相关功能基因拷贝数的测定。本发明装置结构简单，可以在室内外操作，模拟河道厌氧氨氧化过程效果良好，制作方便，成本低。

Description

模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置及使用方法和应用
技术领域
本发明属于生态工程技术领域，具体涉及一种模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置及使用方法和应用
背景技术
随着我国经济快速发展，沿河湖地区氮、磷等污染物排放逐年增加，河道水质情况日益严重。集中表现为河道水质富营养化加剧。水体富营养化是指过量的氮磷进入水体使得藻类、水生生物异常繁殖，水体溶解氧及透明度发生变化，造成水质恶化。厌氧氨氧化细菌广泛存在于河道及淡水湖泊中，由于富营养化水体的缺氧环境，使得厌氧氨氧化过程得以发生,厌氧氨氧化过程对于富营养化河道中氮素的脱除有一定的贡献。
细菌反硝化作用一直被认为是自然水体中脱氮的唯一一个重要的过程。自从Mulder等人于1995年在荷兰的一家污水处理厂发现了厌氧氨氧化过程以后，厌氧氨氧化过程被认为是很多自然水体中不可或缺脱氮过程。这一发现打破了长期以来反硝化是水体中去除无机氮的唯一途径的传统观念。厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化细菌直接以NH4 +作为电子供体，以硝态氮或亚硝氮作为电子受体将其中的N转化为氮气的过程。据研究，自然水体中的厌氧氨氧化过程对于N2通量的贡献量为20-79％。
目前，关于厌氧氨氧化过程的研究热点主要集中在提高其污水处理能力的研究上，例如在较短的时间内缓解厌氧氨氧化亚硝酸盐的抑制，节约资本，提高厌氧氨氧化菌的活性(专利申请号CN201210030215.1，一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法)，将厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料用于除去水体污染物(专利申请号CN201310128413.3，一种厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料的方法)等。
在模拟湖泊河道等微环境系统中，国内外的一些学者已经有相关方面的研究和报道，例如以生态混凝土为材料，制作一种微生态系统单元，用于水环境治理(专利申请号CN200610097282.7,微生态系统单元及其在水环境治理中的应用)。有学者研发设备模拟湖泊沉积物-水土界面环境，人为控制界面水动力扰动、界面光照、界面温度以及上覆水化学特性，研究水土界面生化过程机理。(专利申请号200710133406.7，一种应用于湖泊沉积物-水界面过程研究的室内模拟系统)。也有研究通过在人工填料上间歇式进水的人工湿地中实现厌氧氨氧化脱氮。(专利申请号CN201010539899.6，一种利用人工湿地实现厌氧氨氧化生物脱氮的方法)。
国内外的一些学者已经对河道水体中的厌氧氨氧化过程有一定程度的研究，并研发了一系列的技术。王衫允等人(生态学报，2012，白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响)结合15N同位素失踪技术与分子生物学技术研究了白洋淀湖泊湿地沉积物中厌氧氨氧化菌的分布、菌群结构特性、生物多样性及其活性，郑燕玲等人(环境科学，2012，崇明东滩夏季沉积物厌氧氨氧化菌群结构与空间分布特征)探索了长江口崇明东滩表沉沉积物中是否存在厌氧氨氧化菌以及厌氧氨氧化菌的群落结构与空间分布特征，GuibingZhu等人(EnvironmentScienceandtechnology，2011，AnammoxBacterialAbundance,BiodiversityandActivityinaConstructedWetland)通过构建人工湿地来研究人工湿地中的厌氧氨氧化菌的丰度、多样性以及温室气体N2O的排放。但是，到目前为止，如何在室内通过模拟河道原位环境，并探究不同因素对河道中的厌氧氨氧化过程的影响的模拟技术方法仍未见报道。采用人工模拟不同手段河道生态修复过程，进行包括沉积物、沉水植物、脱氮反硝化菌、水温、光照及水质参数等综合调控及优化，来研究原位河道底泥中厌氧氨氧化过程的装置尚未有开发。因此，研究此类技术和装置对富营养化河道水体治理具有积极意义。
发明内容
本发明需要解决的问题是针对日益严重河道水体恶化问题以及现有的装置难以达到分析多因素变化对河道底泥厌氧氨氧化过程的影响，本发明提供一种探究河道底泥厌氧氨氧化过程的方法和装置，可有效提高河道原位水体的脱氮效果，从而可以改善河道水质、促进原位河道生态修复的研究。使用该装置可以通过人为手段在室内模拟原位河道水体环境，并通过调控物理、化学、生物因素，来研究对原位河道底泥中的厌氧氨氧化过程的影响。
本发明的技术方案：
本发明所述的模拟原位河道厌氧氨氧化过程装置为一种圆柱形透明装置，柱体整高为60cm，直径为90mm。底部进行固定密封，柱体填装原位底泥的柱段为可拆卸部件，每隔2cm为拆卸位置，便于实验采集底泥样品。柱体上部设有气体静态采集箱，采气箱为正方体箱体，长为10cm，宽为10cm，高为10cm。采气箱上部设置了一个直径为4cm的采气口，实验过程中用封口膜进行密封，满足实验过程中对气体进行采集的要求。可调控的环境因子包括：水体的营养盐浓度、温度、反硝化菌添加量、光照强度；该模拟装置底部添加高度为30cm的原位河道底泥沉积物；温度、溶解氧、pH通过探头反馈的数据实时显示在电脑终端上，进行实时在线检测，以此来达到原位河道不同水体环境条件的模拟；在该装置填装底泥位置以及上部不同高度均设置取样口采样，每隔一段时间测定孔隙水营养盐(TN)变化。装置图见附图1。
同时我们设置了多组平行装置供实验用，通过向实验装置中添加原位河道底泥、反硝化菌、沉水植物来研究不同生态修复手段干预下，以及环境因子的变化对原位河道底泥中厌氧氨氧化丰度、多样性的影响，进一步为河道脱氮机理的研究提供理论依据。所采用的人为生态修复手段包括添加沉水植物(伊乐藻)、添加反硝化细菌、添加沉水植物+反硝化细菌。
本发明所述模拟原位河道底泥中厌氧氨氧化过程装置，包括透明圆柱形有机玻璃柱，上部接有正方形静态采气箱，以及位于实验柱顶部外的外加光源。整个柱体的主体装置外表面从上往下依次设有培养液进口、水样采集口、沉积物孔隙水取样口、底部为可分割拆卸的环形柱体取泥口，柱体底部设置了可以拆卸的活动底塞。整个柱体装置从上到下可依次放置反硝化菌载体、沉水植物、以及底泥沉积物，柱体外侧包裹铝箔纸以避光。
上述静态采气箱与柱体是相连通的，静态采气箱为密封装置，上部设有圆形小口(直径4cm)，可方便实验过程中进行气体的采集。
温度控制：实验柱体分为2层，内外层之间留有一定的空隙，起到了相当于恒温夹套的保温作用。并且通过温度控制器3进行辅助温度的调节和控制，控制整个柱体在实验过程中的温度保持在10～40℃的范围内。
光照强度控制：光照强度控制通过自然光照辅助人工光照相结合的方式来实现。整个实验柱装置采用卤素灯光源进行照射，并通过温度控制器进行温度的调控。光照强度通过光强计来进行测量。
营养盐调控：通过采集原位河道的河水进行实验，以保证室内模拟条件下装置内的营养盐配置与原位河道水质保持一致。柱内的水体通过蠕动泵由柱体的培养液进口缓慢注入，5天更换一次，柱内水体高度为40cm。
水体溶解氧的监控：装置内部设置有溶氧仪探头，在线实时监控水体当中的溶解氧含量。柱内底泥当中溶解氧可以通过溶解氧三维测试系统进行实时监控。
河道底泥的采集与转移：为了模拟原位河道底泥的厌氧氨氧化过程，需要采集原位的河道底泥进行研究，底泥选用河道深度约为20cm的柱状底泥(直径约为90mm)。采用柱状沉积物采集器，河道底泥在2h内迅速运回实验室，转移到模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程的实验装置中。
本发明所述模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置的使用方法：
(1)柱内水环境构建：通过蠕动泵添加原位河道水体进行实验柱水体的填充。尽量采取无扰动的添加方式，保证注水过程中，柱内底泥不受到扰动。
(2)柱内河道原位底泥的添加：通过柱状采泥器采集原位河道的底泥，在2h内运回实验室进行转移。转移时，底泥从装置底部装填，使装置底泥厚度达到20cm。计算好底泥厚度与孔隙水取样口位置之间的差距，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平。柱内底泥填充的位置外部包裹锡箔纸，保证底泥处于一个遮光的环境中。
(3)沉水植物：选取伊乐藻作为装置内栽种的沉水植物。将沉水植物均匀种植在柱内原位底泥中，使柱内的沉水植物生物量达到30g左右，每株沉水植物高度为10cm，选取长势较好的沉水植物作为研究对象。
(4)反硝化菌：当模拟人为生态修复干扰条件下河道沉积物厌氧氨氧化过程时，采用外源反硝化菌，将其固定到载体上以供使用。
(5)在室内培养过程中，调控各个培养柱之间的外部环境因子的变化，对湖泊生态修复模拟柱内各因素进行观察分析，定期检测模拟装置水体中的pH、DO、TP、TN、NH4 +、NO3 -、NO2 -、溶解性N2，分析柱内环境因子变化与厌氧氨氧化活动之间的关系。
本发明与现有技术相比其有益效果是:
本发明提供了一种可以模拟原位河道底泥中厌氧氨氧化过程及人为生态修复干扰条件下厌氧氨氧化过程的装置与使用方法。本方法综合考虑了河道中的反硝化过程以及厌氧氨氧化过程的脱氮影响。本装置可以通过室内条件的控制，以及同位素气体的采集有效地达到对厌氧氨氧化过程的研究。本发明通过对室内柱体装置恰当的设计，达到可以完成气体采集、水样的采集以及孔隙水测定等多方面数据的获取。实时地提供柱内底泥中厌氧氨氧化菌脱氮数据，并测定底泥中厌氧氨氧化细菌丰度。本发明装置结构简单，成本低，易操作，制作方便，功能多样，可以方便地进行不同生态修复手段下对比底泥中厌氧氨氧化过程的影响的研究。因此，该发明是模拟河道生态修复，研究河道底泥中厌氧氨氧化对于氮循环过程的影响的有效装置,对富营养化湖泊水体治理具有积极意义。
附图说明
图1.一种模拟不同生态修复手段下原位河道底泥中厌氧氨氧化过程装置结构示意图。
1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵20、pH探头
图2.实施例1小试实验装置中的水体中氨氮浓度随时间的变化。—■—氨氮浓度(mg/L)；
图3.实施例2小试实验装置中的水体中亚硝氮浓度随时间的变化。—■—亚硝氮浓度(mg/L)；
图4.实施例3小试实验中4个不同生态修复手段处理组中厌氧氨氧化菌的联氨氧化酶功能基因(HZO)拷贝数随时间的变化趋势—■—沉积物柱(×107copiesg-1soil),—●—沉积物+反硝化菌柱(×107copiesg-1soil)，—▲—沉积物+伊乐藻柱(×107copiesg-1soil)；—▼—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(×107copiesg-1soil)；
图5.实施例4小试实验中控制室内不同温度，对模拟河道底泥沉积物中厌氧氨氧化菌的联氨氧化酶功能基因(HZO)拷贝数以及厌氧氨氧化速率的影响。A：10℃B：20℃C：30℃D：40℃；
图6.实施例5小试实验中不同生态修复手段下处理组，底泥中厌氧氨氧化速率的比较。A：沉积物B:沉积物+伊乐藻C:沉积物+反硝化菌D:沉积物+伊乐藻+反硝化菌。
图7.实施例6小试实验中不同处理组之间的河道底泥中溶解氧情况的变化趋势。—■—沉积物柱(μmol/L)，—●—沉积物+伊乐藻柱(μmol/L)，—▲—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(μmol/L)；
图8、图9、图10、图11.实施例7小试实验中pH变化对于不同生态修复手段下的河道底泥中厌氧氨氧化细菌产气量(N2)的影响。—■—沉积物柱(μmolN2m-2hr-1),—▲—沉积物+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)，—●—沉积物+伊乐藻柱(μmolN2m-2hr-1)；—▼—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)；
图12.实施例8中不同氨氮浓度对河道底泥中厌氧氨氧化过程的影响。—■—沉积物柱(μmolN2m-2hr-1),—▲—沉积物+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)，—●—沉积物+伊乐藻柱(μmolN2m-2hr-1)；—▼—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)；
图13.实施例9中不同亚硝氮浓度对河道底泥中厌氧氨氧化过程的影响。—■—沉积物柱(μmolN2m-2hr-1),—▲—沉积物+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)，—●—沉积物+伊乐藻柱(μmolN2m-2hr-1)；—▼—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(μmolN2m-2hr-1)；
图14.实施例10中不同生态修复手段下的室内模拟柱中孔隙水中TN随深度的变化。—■—沉积物柱(mg/L),—▲—沉积物+反硝化菌柱(mg/L)，—●—沉积物+伊乐藻柱(mg/L)；—▼—沉积物+伊乐藻+反硝化菌柱(mg/L)；
具体实施方式
本发明从无锡市贡湖湾入湖河道清水河采集原位的底泥和上覆水进行实验。底泥采集完成后，避光保存，在2h内送回实验室，以保证原位底泥无扰动地转移到本装置中，完成整个实验室室内模拟环境的构造。稳定培养1个月后，开始各项指标的测定。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
室内模拟实验(考察模拟实验装置中水体中的氨氮浓度随时间的变化)
实验过程中每隔5天采集装置内的水样，在实验室中进行水质分析得到氨氮浓度随时间的变化。取样测定结束后，实验结果如图2所示，随着培养时间的增加，氨氮浓度逐渐下降，最高为1.15mg/L，最低为0.056mg/L。
实施例2
室内模拟实验(考察模拟装置中水体中的亚硝氮浓度随时间的变化)
实验过程中每隔5天采集装置内的水样，在实验室中进行水质分析得到亚硝氮浓度随时间的变化。
取样测定结束后，实验结果如图3所示，随着培养时间的增加，亚硝氮浓度也降低，最高为0.038mg/L，最高为0.015mg/L。
实施例3
室内小试(考察不同处理组随着培养时间的增长，模拟装置中的河道底泥中厌氧氨氧化细菌丰度的变化)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。对试验柱进行三周预培养。
(8)预培养结束后，每周一次取沉积物，连续取4周。采用q-PCR方法测定沉积物物中的厌氧氨氧化功能基因HZO的拷贝数。
A试验柱(仅添加沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
取样四周后本试验结束，实验结果如图4所示，随着培养时间的增加，由于各个处理组之间的干预的不同，4个不同处理组中的厌氧氨氧化细菌出现了差异性的变化。与没有进行干扰的裸泥组(Sediment)相比，其他三组的厌氧氨氧化细菌都在数量都有不同程度的增加，以C、D两组增加最为明显。
实施例4
室内小试(考察不同温度条件控制下，对于河道底泥中厌氧氨氧化细菌数量的影响)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。将裸泥组分为4组进行控制，每组(A、B、C、D四组)的温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃。对试验柱进行三周预培养。
(8)预培养结束后，采集泥水界面一下的1-3cm处的底泥沉积物进行实验，采用q-PCR方法测定沉积物物中的厌氧氨氧化功能基因HZO的拷贝数；
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)；
实验测定结束后，实验结果如图5所示，温度为30℃下培养三周后，厌氧氨氧化细菌的功能基因(HZO)的拷贝数最高。由此可以反映原位河道自然条件下，厌氧氨氧化的最适生长温度。
实施例5
室内小试(考察不同生态修复手段干扰下对原位河道底泥中厌氧氨氧化速率的影响)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，4个处理组都加入用15N特定标记过的NO3 -，其和沉积物本底的14NH4 +在缺氧条件或厌氧的环境下会发生反硝化和厌氧氨氧化反应。二者的差异可以通过产生氮气中28N2、29N2、30N2的组成得以体现，因此本实施例可以用来检测模拟原位河道底泥中厌氧氨氧化的脱氮能力。
(8)加入同位素标记过的氮素后，用封口膜密封上部集气口，密封培养10h后，利用模拟柱上部的静态集气箱进行同位素氮气的采集。最后，采用同位素比质谱仪进行气体浓度的测定。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
整个实验测定过程结束后，实验结果如图6所示，C试验柱(沉积物+反硝化菌)厌氧氨氧化速率最高。反映出厌氧氨氧化过程与反硝化过程存在一定的协同作用。在一定的浓度范围内，反硝化过程的存在可以促进厌氧氨氧化过程的进行。实施例6
室内小试(不同生态修复手段下，水质溶解氧浓度随时间的变化关系)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，定期检测水质中的溶解氧的情况。
(8)水质中的溶解氧，通过室内模拟试验柱中的溶解氧探头得到实时检测的数据。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
试验柱的预培养时间约4周，待培养稳定后，观察试验柱内的沉水植物根系长成、反硝化菌充分扩散到水体与底泥沉积物中以后，预培养阶段结束。然后更换新的原位河水，开始试验。试验为10h的快速试验。每隔2h，纪录一次实时传回的溶解氧数据。实验结果如图7所示。我们可以得到的结论是，当利用沉水植物进行人为生态修复干预时，由于沉水植物的光合作用释放氧气，水中DO浓度要明显高于没用移植沉水植物(伊乐藻)的试验柱内的水体。
实施例7
室内小试(考察pH值的变化对原位河道底泥中厌氧氨氧化速率的影响)
模拟原位河道厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。将裸泥组、沉水植物组、反硝化菌组、沉水植物+反硝化菌组各分为7组进行控制，每组的pH值分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0。对试验柱进行三周预培养。
(8)预培养结束后，将上部的静态集气箱的集气口用封口膜密封，所有处理组都加入用15N特定标记过的NO3 -，其和沉积物本底的14NH4 +在缺氧条件或厌氧的环境下会发生反硝化和厌氧氨氧化反应。二者的差异可以通过产生氮气中28N2、29N2、30N2的组成得以体现。进行10h的集气培养后。收集气体后，采用同位素比质谱仪进行同位素气体的测定。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
根据pH条件的不同，每个不同生态修复组均设置7组试验柱进行试验。
实验结果显示，如图8、图9、图10、图11所示，当pH值为7.5时，测定得到的厌氧氨氧化速率最高，原位不受生态修复手段的干扰的裸泥组的产气量达到23.6μmolN2m-2hr-1的水平。随着pH的降低或升高，厌氧氨氧化速率均呈现降低的情况。通过模拟原位河道底泥的厌氧氨氧化过程的装置模拟不同pH情况下的厌氧氨氧化过程，我们可以得到一个最适合厌氧氨氧化菌进行脱氮过程的pH。
实施例8
室内小试(考察不同生态修复手段下，原位河道水体本底值中NH4 +-N浓度的变化对于厌氧氨氧化过程的影响)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。将裸泥组、沉水植物组、反硝化菌组、沉水植物+反硝化菌组各分为7组进行控制，每组的NH4 +-N浓度分别为0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L、3.5mg/L、4.0mg/L、4.5mg/L、5.0mg/L。对试验柱进行三周预培养。
(8)预培养结束后，将上部的静态集气箱的集气口用封口膜密封，所有处理组都加入用15N特定标记过的NO3 -，其和沉积物本底的14NH4 +在缺氧条件或厌氧的环境下会发生反硝化和厌氧氨氧化反应。二者的差异可以通过产生氮气中28N2、29N2、30N2的组成得以体现。进行10h的集气培养后。收集气体后，采用同位素比质谱仪进行同位素气体的测定。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
根据NH4 +-N浓度的条件的不同，每个不同生态修复组均设置10组试验柱进行试验。
整个实验过程结束后，实验结果如图12所示，4个不同生态修复处理组下的厌氧氨氧化速率均在NH4 +-N浓度达到2.0mg/L后，保持在一个相对稳定的水平上。在NH4 +-N浓度小于2.0mg/L时，随着NH4 +-N浓度的增大，厌氧氨氧化速率会有一个明显增大的趋势。最终，整个试验柱的厌氧氨氧化速率达到峰值，约为23.5μmolN2m-2hr-1(裸泥组)、20.6μmolN2m-2hr-1(沉水植物组)、43.7μmolN2m-2hr-1(反硝化菌组)、40.6μmolN2m-2hr-1(沉水植物+反硝化菌组)。
实施例9
室内小试(考察不同生态修复手段下，原位河道水体中本底值中NO2 --N浓度的变化对于厌氧氨氧化过程的影响)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。将裸泥组、沉水植物组、反硝化菌组、沉水植物+反硝化菌组各分为9组进行控制，每组的NO2 --N浓度分别为0.2mg/L、0.4mg/L、0.6mg/L、0.8mg/L、1.0mg/L、1.2mg/L、1.4mg/L、1.6mg/L、1.8mg/L。对试验柱进行三周预培养。
(8)预培养结束后，将上部的静态集气箱的集气口用封口膜密封，所有处理组都加入用15N特定标记过的NO3 -，其和沉积物本底的14NH4 +在缺氧条件或厌氧的环境下会发生反硝化和厌氧氨氧化反应。二者的差异可以通过产生氮气中28N2、29N2、30N2的组成得以体现。进行10h的集气培养后。收集气体后，采用同位素比质谱仪进行同位素气体的测定。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
根据NO2 --N浓度的条件的不同，每个不同生态修复组均设置9组试验柱进行试验。
实验测定结束后，实验结果如图13所示。随着NO2 --N浓度的增加，4个同生态修复组的厌氧氨氧化速率均增加，直到NO2 --N浓度达到0.8mg/L时，各组的厌氧氨氧化速率不再增加，保持在一个相对稳定的峰值。各组的峰值分别为22.5μmolN2m-2hr-1(沉积物)、21.3μmolN2m-2hr-1(沉积物+伊乐藻)、46.7μmolN2m-2hr-1(沉积物+反硝化菌)、40.1μmolN2m-2hr-1(沉积物+伊乐藻+反硝化菌)。实施例10
室内小试(考察模拟原位河道厌氧氨氧化过程的试验柱，在不同生态修复手段下的孔隙水TN含量随深度的变化的关系)
模拟原位河道(清水河)厌氧氨氧化过程的装置包括1、循环水出口2、温度探头3、卤素灯4、培养液进口5、循环水进口6、反硝化菌载体7、柱体8、水体取样口9、沉水植物(伊乐藻)10、底泥切片11、底泥孔隙水取样口12、底塞13、搅拌器14、静态集气箱15、气体采集口16、溶解氧探头17、电脑18、储水箱19、蠕动泵。试验柱11柱体外表面取样口12距离底部的距离分别为20cm、30cm、40cm。模拟装置的底层取泥口，从泥水界面处，开始设置。每隔1cm设置一个，一共设置五个。
实验方法步骤：
(1)用特定培养基进行反硝化菌的富集培养；
(2)培养液和试验柱灭菌：将配置好的10L培养液放入高压灭菌锅，在121℃进行高温灭菌30min左右，冷却至室温，试验柱采用紫外辐射法灭菌；
(3)将取自原位的湖泊底泥，从试验柱底部按原貌装填入柱底部，调整至合适高度，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平；外侧包裹铝箔纸使底泥侧面呈遮光状态；
(4)选取一定生物量长势茁壮的伊乐藻，每株沉水植物长度约10cm，均匀的种植在底泥上；
(5)将1中灭菌后培养液，通过泵以适宜的流量注入已灭菌的模拟试验柱内，尽可能对底泥不产生较大扰动，直至液面到达要求的高度；
(6)向水体中添加反硝化细菌作为一种人为生态修复的干扰手段；
(7)将生态修复模拟试验柱装置放到设置好的室内环境条件下，光源采用卤素灯8，光周期12h/12h；光照强度4000Lux(由光强控制器7控制)；温度20±1℃(夹套恒温水浴由温度控制器3控制)。
(8)预培养结束后，通过模拟试验柱的孔隙水取样口，用注射器直接抽取孔隙水进行总氮的测定。
A试验柱(沉积物)步骤：(2)、(3)、(5)、(7)、(8)
B试验柱(沉积物+伊乐藻)步骤：(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)
C试验柱(沉积物+反硝化菌)步骤：(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)
D试验柱(沉积物+反硝化菌+伊乐藻)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
测定实验结束后，实验结果如图14所示，随着底泥深度的增加，裸泥组的TN含量没有发生显著地变化。而其他3组进行了人为生态修复手段干预的模拟试验柱均发生了明显的TN含量变化。表现在随着深度增加，TN浓度呈现升高的趋势，由此可以说明反硝化菌活动主要集中在泥水界面处，以及对于脱氮的贡献率方面，我们可以知道反硝化过程要明显高于厌氧氨氧化过程。

Claims (2)

1.一种模拟原位河道底泥厌氧氨氧化过程装置，该装置是一种圆柱形透明装置，柱体整高为60cm，直径为90mm，底部进行固定密封，柱体填装原位底泥的柱段为可拆卸部件，每隔2cm为拆卸位置，便于实验采集底泥样品，柱体上部设有气体静态采集箱，采气箱为正方体箱体，长10cm，宽10cm，高10cm，采气箱上部设置了一个直径为4cm的采气口，实验过程中用封口膜进行密封，满足实验过程中对气体进行采集的要求，可调控的环境因子包括：水体的营养盐浓度、温度、反硝化菌添加量、光照强度；模拟装置底部添加高度为30cm的原位河道底泥沉积物；温度、溶解氧、pH通过探头反馈的数据实时显示在电脑终端上，进行实时在线检测，以此来达到原位河道不同水体环境条件的模拟；在该装置填装底泥位置以及上部不同高度均设置取样口采样，每隔一段时间测定孔隙水营养盐变化，其特征是，该装置的使用方法由以下步骤构成：
(1)柱内水环境构建：通过蠕动泵添加原位河道水体进行实验柱水体的填充，尽量采取无扰动的添加方式，保证注水过程中，柱内底泥不受到扰动；
(2)柱内河道原位底泥的添加：通过柱状采泥器采集原位河道的底泥，在2h内运回实验室进行转移，转移时，底泥从装置底部装填，使装置底泥厚度达到20cm，计算好底泥厚度与孔隙水取样口位置之间的差距，使水土界面与第一个孔隙水取样口齐平，柱内底泥填充的位置外部包裹锡箔纸，保证底泥处于一个遮光的环境中；
(3)沉水植物：选取伊乐藻作为装置内栽种的沉水植物，将沉水植物均匀种植在柱内原位底泥中，使柱内的沉水植物生物量达到30g，每株沉水植物高度为10cm，选取长势较好的沉水植物作为研究对象；
(4)反硝化菌：当模拟人为生态修复干扰条件下河道沉积物厌氧氨氧化过程时，采用外源反硝化菌，将其固定到载体上以供使用；
(5)在室内培养过程中，调控各个培养柱之间的外部环境因子的变化，对湖泊生态修复模拟柱内各因素进行观察分析，定期检测模拟装置水体中的pH、DO、TP、TN、NH4 +、NO3 -、NO2 -、溶解性N2，分析柱内环境因子变化与厌氧氨氧化活动之间的关系。
2.权利要求1所述模拟原位河道底泥中厌氧氨氧化过程装置使用方法用于富营养化湖泊水体治理。
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