流动水域生物膜附着更替过程及净污活性研究

生物膜在水生态系统平衡和水环境演变中扮演着非常重要的角色，对自然水体的水质改善和生态修复具有重要作用，水动力条件对自然水体生物膜结构特征及净污活性影响机理研究对于生物膜领域科学发展及其在水工程、水生态、水环境中的应用具有重要创新意义。本项目拟通过现场观测和水槽试验，借助电子显微镜、激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)、微电极检测(RDE)、生物活性酶测定等先进研究手段，对比分析流动水域中不同水动力条件下生物膜在形成和更替过程、内部形态结构和活性、微生物聚磷和吸附磷特性、水质净化效果等方面的差异，揭示水动力作用对自然水体中生物膜生长过程和组成结构的影响机理，建立水动力条件-生物膜特性-水质净化能力之间的耦合关系，探寻流动水域中生物膜形成和生长、生物膜净化水质的适宜水动力条件，并研发应用于流动水域中的生物膜原位水质净化关键技术，为生物膜理论和技术在河湖水体水质改善和生态修复中的应用提供依据。

本研究通过现场观测和水槽试验,借助电子显微镜、扫描电镜(SEM)、冷冻切片法、生物活性酶测定等先进研究手段，对比分析流动水域中不同水动力下生物膜在形成和更替过程、内部形态结构和活性、水质净化效果等方面的差异，揭示水动力作用对自然水体中生物膜生长过程和组成结果的影响机理。研究发现，.（1）在生物膜成长过程中，膜上微生物种群分布和生物量不断变化，生物膜生长初期硅藻占优势，随着培养时间的延长，绿藻数量急剧增加，逐渐成为优势种，玻片上原生动物数量变化不大。.（2）生物膜生长动力学结果表明生物膜的生长趋势符合逻辑斯蒂增长模型，生物膜增长动力学参数在中等流速（IV）时达到最大。.（3）不同流速下生长的生物膜，其胞外聚合物的组成和分布特征也表现的有所不同：高流速下（HV2）的生物膜厚度比较薄，但其生物膜中的多聚糖和蛋白质的总量都要高于中等流速下（IV）较厚的生物膜；相比较而言，高流速下（HV2）的生物膜结合态的胞外聚合物量更多。.（4）从冲刷实验结果来看，冲刷的生物膜的量和生物膜生长的流速呈现负相关的关系，高流速下生长的生物膜具有更强的凝聚力，因此，高剪切力下生物膜中胞外聚合物的分布和组成以及冲刷特征取决于生物膜生长的流速条件。.（5）采用脱氢酶活性来表征生物膜的活性。流速无论为2cm/s还是15cm/s，脱氢酶活性均随时间的延长呈现出整体下降的趋势。流速为15cm/s时，形成的生物膜脱氢酶活性明显高于流速为2cm/s下形成的生物膜脱氢酶活性。独立研究两种流速水体下生物膜对原水中污染物质的净化能力，研究发现TN, NH4+-N以及COD的去除率随着流速的增加而增大。水体流速为15cm/s下形成的生物膜对TN, NH4+-N以及COD的去除率较高，而TP的去除率却正相反，去除率随着流速的增加而减小，流速为2cm/s下形成的生物膜对TP的去除率较高。.迄今为止，本项目在国内外核心期刊发表研究论文7篇，其中SCI收录5篇、EI收录1篇；申请发明专利10项，其中授权4项。获2012年国家技术发明二等奖（排名第3）、2013年国家科技进步二等奖（排名第10）、2013年教育部自然科学一等奖（排名第4）。