Co-Variation between Distribution of Microbial Communities and Biological Metabolization of Organics in Urban Sewer Systems

城市下水道系統(tǒng)中微生物群落分布與有機(jī)物生物代謝的共變關(guān)系

來(lái)源：Environmental Science & Technology, Volume 52, 2018, Pages 1270-1279

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，第52卷，2018年，第1270-1279頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了在1200米試驗(yàn)下水道系統(tǒng)中研究了微生物群落的分布特征和生物多樣性。結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)微生物（發(fā)酵細(xì)菌FB、產(chǎn)氫乙酸菌HPA、硫酸鹽還原菌SRB和產(chǎn)甲烷古菌MA）從下水道開始到結(jié)束顯著變化。功能微生物的分布可誘導(dǎo)底物轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致小分子有機(jī)物（如乙酸、丙酸和氨基酸）積累。然而，這些微生物引起的底物轉(zhuǎn)化受環(huán)境因素如氧化還原電位、pH和溶解氧影響。下水道環(huán)境條件的變化導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)生物反應(yīng)變化。FB在下水道開始時(shí)富集，而SRB和MA在末端發(fā)現(xiàn)。基于微生物群落、環(huán)境因素和底物的Spearman秩相關(guān)分析，確定了微生物群落分布與有機(jī)物代謝沿下水道的共變關(guān)系。本研究為理解廢水從下水道到處理廠的運(yùn)輸過(guò)程中水質(zhì)變化提供理論基礎(chǔ)，促進(jìn)廢水處理設(shè)計(jì)和操作的優(yōu)化。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查城市下水道系統(tǒng)中微生物群落的分布特征和多樣性，以及它們與有機(jī)物代謝的關(guān)系，并探討環(huán)境因素（如氧化還原電位、pH和溶解氧）如何影響這些微生物群落和代謝過(guò)程，從而為廢水處理廠的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

 

研究思路

研究思路包括構(gòu)建一個(gè)1200米長(zhǎng)的試驗(yàn)下水道系統(tǒng)，模擬真實(shí)下水道環(huán)境，監(jiān)測(cè)沿程的廢水質(zhì)量參數(shù)（如COD、BOD5、NH3-N、TN、TP）和環(huán)境因素（pH、DO、ORP）。通過(guò)定期采樣，使用高通量測(cè)序和定量PCR（qPCR）技術(shù)分析微生物群落的組成和豐度。利用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部的DO、pH和ORP微環(huán)境。通過(guò)Spearman相關(guān)分析，確定微生物群落分布與環(huán)境因素及有機(jī)物代謝的共變關(guān)系。實(shí)驗(yàn)在室溫（25±2°C）和低DO（0.3±0.05 mg/L）條件下進(jìn)行，以模擬 anaerobic 環(huán)境。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了微生物群落在門水平和屬水平的相對(duì)豐度，數(shù)據(jù)來(lái)自圖1和圖2。研究意義：揭示Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes等主要門類沿下水道的變化，顯示微生物多樣性減少，幫助理解發(fā)酵和水解過(guò)程的空間分布。

 

 

2 測(cè)量了功能微生物（FB、HPA、SRB、DNB、MA）的16S rRNA基因拷貝濃度和相對(duì)豐度，數(shù)據(jù)來(lái)自圖2和圖3。研究意義：量化FB、HPA、SRB、DNB和MA沿下水道的分布變化，表明FB在開始時(shí)富集，SRB和MA在末端占優(yōu)勢(shì)，反映代謝過(guò)程的轉(zhuǎn)變。

 

3 測(cè)量了廢水質(zhì)量參數(shù)，包括有機(jī)物分子量分布、熒光強(qiáng)度和小分子有機(jī)物（如乙酸、丙酸）濃度，數(shù)據(jù)來(lái)自圖3和圖5。研究意義：顯示大分子有機(jī)物沿下水道分解為小分子有機(jī)物，表明水解和酸化過(guò)程，為微生物代謝提供底物。

 

4 測(cè)量了環(huán)境因素（pH、DO、ORP）在廢水和生物膜中的變化，數(shù)據(jù)來(lái)自圖5。研究意義：顯示DO和ORP沿下水道降低，pH穩(wěn)定，影響微生物群落分布和代謝活動(dòng)，如低ORP促進(jìn)產(chǎn)甲烷。

5 測(cè)量了生物膜內(nèi)部的微環(huán)境參數(shù)（DO、pH、ORP）使用微電極。研究意義：直接測(cè)量生物膜分層結(jié)構(gòu)，揭示好氧、缺氧和厭氧區(qū)域，解釋微生物空間分布。

 

結(jié)論

1 微生物群落沿下水道顯著變化，發(fā)酵細(xì)菌（FB）在開始時(shí)富集，硫酸鹽還原菌（SRB）和產(chǎn)甲烷古菌（MA）在末端占優(yōu)勢(shì)，反映代謝過(guò)程從發(fā)酵向產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)變。

2 環(huán)境因素（溶解氧、氧化還原電位、pH）影響微生物分布和代謝，低DO和ORP促進(jìn)厭氧過(guò)程如產(chǎn)甲烷，而pH穩(wěn)定在6.0-7.0支持多種微生物活動(dòng)。

3 Spearman相關(guān)分析顯示微生物群落分布與有機(jī)物代謝存在共變關(guān)系，例如FB與乳酸酸正相關(guān)，SRB與硫酸鹽還原相關(guān)，為理解下水道生物過(guò)程提供定量依據(jù)。

4 研究結(jié)果有助于預(yù)測(cè)廢水處理廠進(jìn)水水質(zhì)變化，優(yōu)化處理工藝，減少能源消耗和提高處理效率。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜中的溶解氧（DO）、pH和氧化還原電位（ORP）數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了高分辨率、實(shí)時(shí)的微環(huán)境剖面，從而深入揭示生物膜內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)和微生物活動(dòng)的空間異質(zhì)性。這些測(cè)量顯示，生物膜沿下水道深度形成好氧（DO > 0.5 mg/L）、缺氧（DO 0.1-0.5 mg/L）和厭氧（DO < 0.1 mg/L）區(qū)域，例如ORP從-100 mV降至-350 mV，這直接影響了功能微生物的分布：好氧層支持發(fā)酵細(xì)菌（FB）進(jìn)行水解和酸化，缺氧層促進(jìn)硫酸鹽還原菌（SRB）活動(dòng)，厭氧層則利于產(chǎn)甲烷古菌（MA）生長(zhǎng)。這種分層解釋了下水道中有機(jī)物代謝的序列過(guò)程，如大分子有機(jī)物先水解為小分子，再轉(zhuǎn)化為甲烷。微電極數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)聯(lián)環(huán)境梯度與微生物功能，驗(yàn)證了Spearman相關(guān)分析的結(jié)果，為共變關(guān)系提供了機(jī)制性見解，增強(qiáng)了我們對(duì)下水道生物地球化學(xué)過(guò)程的理解，并支持廢水處理廠的模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。