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输水管道生物膜的生长过程及其对水质的影响

  输水管道生物膜的生长过程及其对水质的影响_水产渔业_农林牧渔_专业资料。第3 2卷 第 9期 中 国 给 水 排 水 C HI NA WA TE R & W AS T EWAT ER V 0 I _ 3 2 No . 9 Ma y 2 01

  第3 2卷 第 9期 中 国 给 水 排 水 C HI NA WA TE R & W AS T EWAT ER V 0 I _ 3 2 No . 9 Ma y 2 01 6 2 0 1 6年 5月 输 水 管 道 生物 膜 的 生长 过程 及 其对 水 质 的影 响 雒 江菡 , 贾瑞 宝 , 于瑞 洪 , 阎力君 , 李 圭白 , 梁 恒 ( 1 . 哈 尔滨 工业 大学 城 市水资 源与 水环 境 国 家重 点 实验 室 ,黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 9 0 ;2 . 济 南 市 供 排 水监 测 中心 , 山东 济 南 2 5 0 0 0 0 ;3 . 黑龙 江生物科 技 职业 学 院 食 品工程 系,黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 2 5 ;4 . 哈 尔滨 商业 大 学 细胞 与分 子 生物 学研 究所 ,黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 7 6 ) 摘 要: 运 用 生物膜反 应 器 ( B A R )模 拟 实 际原 水 输 水 管道 , 研 究 了管道 运行 时 间对 生物 膜 微 生物群 落 结构及 出水微 污染 物浓度 的 影 响。 结果 表 明 , 随着 B A R反 应 器运行 时 间的延 长 , 出水 p H值 和 C O D 浓 度 变化 较 小 , 溶 解氧 、 氨 氮 和 总 氮浓度 逐 渐 降低 , 运行 1 8 0 d时 , 对氨 氮和 总 氮 的 去 除率 最 高, 分别 为 4 1 . 3 % 和3 0 . 3 %, 浊度 呈 曲线高通 量 测序 对 运行 9 0 、 1 2 0 、 1 8 0 和2 4 0 d的四 个生物 膜样 品 中微 生物群 落结构进 行 分析 , 发现 其微 生物 群 落 结构存 在 较 大差 异 , 9 0 d的生物膜的微 生物多样性最高, 而2 4 0 d的生物膜具有最高的微生物丰度 ; B A R 系统水质影响生 物 膜微 生物 的群 落 结构 , 同样 , 生物 膜 中的微 生物 净化 了 出水 。 关键 词 : 输 水 管道 ; 生 物膜反 应 器 ; 生物 膜 ; 曝气; 高通 量 测序 ; 微 生物群 落 结构 中图分 类号 :T U 9 9 1 文 献标 识码 :A 文章编 号 :1 0 0 0— 4 6 0 2 ( 2 0 1 6 ) 0 9— 0 0 3 9— 0 6 De v e l o p me n t o f Bi o i f l m a n d I t s E f e c t o n Wa t e r Qu a l i t y i n Ra w Wa t e r Di s t r i b ut i o n Pi pe l i ne L U O J i a n g - h a n , J I A R u i — b a o , Y U R u i — h o n g , Y A N L i - j u n , L I G u i — b a i , L I ANG He n g ( 1 .S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fU r b a n W a t e r R e s o u r c e a n d E n v i r o n m e n t , H a r b i n I n s t i t u t e fT o e c h n o l o g y , Ha r b i n 1 5 0 0 9 0,C h i n a ;2 .J i n a n Wa t e r S u p p l y a n d Dr a i n a g e Mo n i t o r i n g C e n t e r ,J i n a n 2 5 0 0 0 0, C h i n a ; 3 .D e p a r t m e n t o f F o o d E n g i n e e r i n g , H e i l o n  ̄i a n g V o c a t i o n a l C o l l e g e f o B i o l o g y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , H a r b i n 1 5 0 0 2 5 ,C h i n a ; 4 .I st n i t u t e o f C e l l a n d Mo l e c u l a r B i o l o g y , H a r b i n U n i v e r s i t y f o C o m m e r c e , H a r b i n 1 5 0 0 7 6, C h i n a ) Ab s t r a c t : B i o f l m ̄ r l n u l a r r e a c t o r s( B A R s )w e r e u s e d f o r s i m u l a t i n g p r a c t i c a l r a w w a t e r d i s t r i b u — t i o n p i p e l i n e ,a n d t h e e f f e c t o f o p e r a t i o n t i me o n t h e b i o i f l m mi c r o b i a l c o mmu n i t y s t r u c t u r e a n d t h e c o n — c e n t r a t i o n o f p o l l u t a n t s i n t h e o u t l e t w a t e r w a s s t u d i e d .T h e r e s u h s i n d i c a t e d t h a t i n t h e o u t l e t w a t e r ,p H v a l u e a n d C O D M c o n c e n t r a t i o n s l i g h t l y c h a n g e d , t h e d i s s o l v e d o x y g e n( D O) , a m mo n i a n i t r o g e n a n d t o t l a n i t r o g e n g r a d u a l l y r e d u c e d,t h e h i g h e s t r  ̄ mo Y l a r a t e o f a mmo n i a n i t r o g e n nd a t o t l a n i t r o g e n o c c u r r e d i n t h e b i o i f l m or f 1 8 0 d,wh i c h we r e r e s p e c t i v e l y 4 1 . 3 % a n d 3 0 . 3 % ,a n d t h e t u r b i d i t y u n s t e a d i l y v a r i e d . T h e a n ly a s i s o f 4 5 4 h i g h — t h r o u g h p u t p y r o s e q u e n c i n g s h o w e d t h a t t h e r e wa s o b v i o u s d i f f e r e n c e i n b i o i f l m mi c ob r i a l c o mmu n i t y s t r u c t u r e a mo n g t h e f o u r b i o i f l m s a mp l e s wh i c h o p e r a t e d or f 9 0 d,1 2 0 d,1 8 0 d a n d 基金项 目: 科技部 科技惠民项 目( 2 0 1 3 G S 3 7 0 2 0 2—0 0 3 ) ; 国家 水体 污染控 制与治理 科技重 大专项 ( 2 0 1 2 Z X 0 7 4 0 4— 0 0 3 - 通 信 作者 : 梁 恒 o 0 4 ) ; 哈尔滨市科技局优秀学科带头人项 目( 2 0 1 3 R F X X J 0 5 4 ) ; 国家 自然科学基金资助项 目( 2 1 3 0 1 0 4 1 ) E—m a i l : h i l f i a n g h e n g @1 6 3 . c o n r ? 39 ? 第3 2卷 第9期 中 国 给 水 排 水 2 4 0 d r e s pe c t i v e l y.Th e h i g h e s t mi c r o bi a l d i v e r s i t y wa s f o u n d i n t h e bi o i f l m f o r 9 0 d,a n d t h e h i g h e s t ic r h n e s s wa s de t e c t e d i n t h e b i o il f m or f 2 40 d.Th e b i o i f l m mi c r o b i a l c o mmun i t y s t r uc t u r e wa s i n lu f e n c e d b y wa t e r q u a l i t y .L i k e w i s e ,t h e o u t l e t wa t e r wa s p u i r i f e d b y t h e mi c r o o r g a n i s ms i n t h e b i o i f l m. Ke y wo r d s : r a w w a t e r d i s t r i b u t i o n p i p e l i n e ; b i o i f l m a n n u l a r r e a c t o r s( B A R) ; b i o i f l m; a e r a — t ‘ l O i  ̄ ; h i g h - t h r o u g h p u t p y r o s e q u e n c i n g ; m i c r o b i a l c o m m u n i t y s t r u c t u r e 地 表水 中 的微 污 染 物 ( C、 N、 P等 有 机 物 ) 和微 生 物在 水流 动力 作 用下 附着 到 管 壁 , 其 中部 分微 生 物 能够 分泌具 有 黏合 作 用 的胞 外 聚 合 物 ( E P S ) , 在 2 4~ 2 8℃ , p H值 为 6 . 8— 7 . 0 , D O为 6 . 0~ 6 . 4 m g / L , C O D M 为 1 4~1 5 m g / L , N H 4 +一N 为 1 . 9~2 . 1 m g / L, T N为 3 . 3—3 . 5 mg / L , 浊度 为 2 5— 2 8 N T U。 范德华力和静电引力的作用下 , 将水 中微生物及微 污 染物 粘接 到管 壁 , 生 物 膜 逐 渐 形成 并 生 长 _ l j 。关 于管道 生物 膜 的研 究 主要 集 中在 供 水 系 统 , 而 对输 水 管道 生 物 膜 的研 究 甚 少 。L e h t o l a等 对 铜 管 和 P E管 材 的供 水 管道 内壁 的生 物膜 进行 了 比较 , 发 现 铜 管 内 的生物 膜形成 所需 时 间 比 P E管 的长 。B a c h . ma n n等人 _ 3 也证 实 管 道 中营养 物 质 和 消 毒 剂 种 类 实 际输水 管道 取样 将 会 耗 费 大量 的财 力 和 物力 , 为 了克 服取 样 困难 , 运用 生 物 膜反 应 器 ( B A R) 模 拟 实 际工 程原 水输 送管 道 , 并 且 为保证 进水水 质 一致 , 在 装置 前安 装体 积 为 5 O L的蓄 水箱 , 以方 便 进行 原 水 水 质 调整 。反 应 器 为封 闭系 统 , 主要 由转 鼓 、 电机 、 调 速器 、 挂片、 取样 口及 进 出水 口组成 ( 见图 1 ) 。转 鼓 上插 入不锈 钢 挂 片 以模 拟 管 壁进 而 培 养 生 物 膜 , 通 过调 整转 鼓 旋 转 速 度 来 模 拟 管 道 中 的水 力 条 件 ( 模 拟 直径 为 2 . 1 m 的原 水 输水 管 道 中 1 . 5 m / s 左 右 的水 流速 度 , 调整旋转速度指数为 8 5 6 ) , 通 过 调 整 进水 速度 而模 拟 停 留时 间 ( 停 留时 间 为 4 h ) , 从 而实 现生物 膜发 育特性 及 对水质 影 响 的研 究 。 及浓度、 温度 、 水力条件和管材等因素均会影响供水 管道 生物膜 的形 成 和 生长 。随 着检 测 技 术 的进 步 , 越来 越多 的人 对生 物膜 的 内部 空 间结 构及微 生 物分 布情 况产 生 了兴趣 , 白晓慧 采 用 电镜 观察 了上 海 市供 水管 道管 壁上 的生 物 膜 样 品 , 发 现 里 面 的微 生 物 以细菌 尤其 是杆 菌 居多 ; L e e _ 5 和F e a z e l _ 6 借 助 纯 培养 技术 和分 子 生物 学 手 段 发 现 , 管 材 对 给水 管 道 生物 膜群 落结 构有 较大 影 响 。由于 自然界 中许 多微 生物 是 不可 培养 的 以及 受 检 测 方 法 自身 的局 限 , 传 统 的平 板菌 落计 数和分 子 生物学 手段 如变 性梯 度凝 胶 电泳 ( D G G E) 、 荧 光原 位杂 交 ( F I S H) 等技术 , 低估 了样 品的生 物 量 及 微 生 物 的多 样 性 J 。 近年 来 , 一 取样 口 挂 片 种以 D N A 扩增 的乳 胶 系 统 和皮 升 大 小 焦 磷 酸 为 图1 B A R反应 器 示恿 F i g . 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f B AR s y s t e m u s e d i n s t u d y 基 础 的高通 量测 序技 术— — 4 5 4焦 磷 酸测 序 法 被 开 发 出来 _ 8 I 9 J , 因其具 有检 测 限低 、 能 一次 平 行 对 几 十 1 . 2 检 测方 法 万到几百万条 D N A分子进行序列测定等特点 , 被广 泛 应用 到环 境微 生物 的生 态分 析 中 。 笔 者选 用 不 锈 钢 管 材 来 模 拟 输 水 管 道 , 采 用 1 . 2 . 1 水 质指 标检测 参照《 水和废水监测分析方法》 ( 第 4版 ) 对反 应 器运 行 7 、 1 4 、 3 O 、 6 O 、 9 0 、 1 2 0 、 1 8 0和 2 4 0 d时 的溶 4 5 4高通量焦磷酸测序法考察生物膜微生物群落结 构 随运 行 时 间的变 化 , 同时 分 析 了水 中微 污 染 物 浓 度 的变化 。这样 , 有 助 于从 微 生 物 特性 和水 质 方 面 解氧、 p H值 、 浊度 、 氨氮、 亚 硝 酸盐 氮 、 硝酸盐氮、 总 氮和 C O D 等水 质指标 进行 分析 。 1 . 2 . 2 4 5 4高通量 测序 在 水质 指标 分析 中 , 发 现水 质在 9 0 、 1 2 0 、 1 8 0和 2 4 0 d时发生 了很 大 变化 , 因此 , 取 其 相 应 天 数 的生 研究输水管道生物膜 的发育机理 , 为研究 生物膜 的 功能提供重要依据 。 1 试验 材料 和方法 1 . 1 试 验模拟 系统 物膜研究微生物群落结构的变化。取样 时, 分别从 B A R中各取 3片 挂 片进行 平 行 试 验 , 用无 菌 水 冲掉 挂 片上悬 浮物 , 然 后用 灭 菌 的棉 签将 生 物 膜 刮 下 放 系统原水 以某江水 为主 , 其水 质如下 : 温度 为 ? 4 0- w w w . w a t e r g a s h e a t . c o m 雒 江菡, 等: 输水 管道 生物膜 的生长过程及其对水质的影响 第3 2卷 第 9期 于蒸 馏 水 中 , 于3 0 k H z下 超声 振 荡 1 5 mi n , 使 生 物 膜脱 落 到水 中 。 利用 D N A试 剂盒 提 取 不 同培养 阶 段 的 生 物 膜 样 品 的总 D N A, 以提取 的 D N A 为模板 , 采 用 细 菌 在6 . 8— 7 . 1之 间 。在 密 闭管 道 中 , p H 值 的 大小 主 要取 决 于其进 水 , 试验 采用 的是微 污染 原水 , 污染 物 浓 度相对 较低 , 即使 发 生物 质能 量 转换 和微 生 物 生 长代谢 , 对出水 p H值也影响较小。 2 . 1 . 3 浊 度 1 6 S r R N A常用引物 8 F和 5 3 3 R对其 V 1 一 V 3区进 行P C R特 异 性 扩 增 ( 反应 参 数 为 : 9 5 o C、 2 m i n ; 2 5 个循 环 : 9 5℃ 、 3 0 S , 5 5 o C、 3 0 S , 7 2 o C、 3 0 S ; 7 2℃ 、 5 试 验进 水浊 度 为 2 5—2 8 N T U, 在最初 的 9 0 d 内, 出水浊度 由2 6 . 1 N T U下降到 1 6 . 3 N T U , 随着运 行时间的延长, 出水浊度呈折线 ) , 这 是 因为 出水 浊 度 受 污 染 物 浓 度 及 脱 落 的 生 物 膜 影 响。在运行初期 , 随着生物膜 吸附 的微生物数量增 加, 为维 持其 生长 繁殖 消耗 了水 中 的污染物 , 导致 出 m i n ; 1 0℃保温) , 使用 1 %琼脂糖 电泳检测 P C R产 物并定 量 , 取适 量 P C R 产 物进 一 步 油 包 水 P C R ( E m P C R) 扩增 , 为 降低 错 配 概 率 , 体系循环 2 5次 , 得到 P C R产 物 。然后 将 扩 增 产 物 运用 4 5 4 G S F L X T i t a n i u m平 台进行焦磷 酸测 序 , 并对有效 序列进行 标准化 , 运用 M o t h u r 软件在门和属的水平上对生物 膜 微生 物多 样性 及相 对丰 度进 行分 析 比较 0 1 “ j 。 水浊 度 降低 ; 生物 膜 在管 道 内经 历 了 “ 附着一生 长~稳定一脱落一再 附着” 这样往 复 的生 长过程 , 但随着运行时间的延长, 生物膜内部呈鳞片状 , 薄厚 皇 韪 不均 , 营养物 质 和溶解 氧传 递能 力 、 生物膜 生长 速度 2 结果 和 讨 论 2 . 1 水 质分 析 ∞ 加 m 易脱 0 落, 均 有不 同 , 较 厚 的生物 膜 随着水 流 冲刷容 出 2 . 1 . 1 溶解 氧 试 验进 水溶 解 氧 控 制 在 6 . O~ 6 . 4 mg / L , 随 着 水浊度略有升高 ; 随着水的流动 , 脱落的生物膜又会 再 次 附着到 管壁 , 因此在 9 0 d后 , 出水 浊 度 呈 现 忽 高 忽低 无规 律 的变化趋 势 。 运行时间的延长 , D O浓度大幅度下降 , 由6 . 4 m g / L 降至 3 . 5 m g / L , 当运行时间超过 1 2 0 d 时溶解氧浓 度几乎不变, 保持在 3 m g / L左右( 见图 2 ) 。这主要 是 由于在运 行初 期 , 微生 物不 断附 着到 管壁 后 , 利 用 原 水 中 的微 污染 物 快 速 生 长 和增 殖 , 挂 片 上 的好 氧 微生物逐渐增多, 从而加速了对氧的消耗 ; 当运行时 间超过 1 2 0 d 后, 微生物和代谢产 物 ( 如胞外 聚合 物) 的不断堆积使生物 膜厚度增加 , 溶解 氧传质效 率降低 , 与管壁接触 的部分生物膜出现了一些厌氧 微 生物 和兼 性厌 氧 微 生 物 , 对 溶 解 氧 的 消耗 能 力 下 降, 管道内溶解氧浓度变化较小。 7 0 7 1 4 21 3 O 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 021 02 4 0 t / d 图 3 运 行 时 间对 出水 浊 度 的 影 响 F i g . 3 Ef f e c t o f o p e r a t i o n t i me o n t u r b i it d y i n e f l u e n t wa t e r 6 2 . 1 . 4 “ 三氮” 微 污染 原水 中的“ 三氮” 主 要包 括 氨 氮 、 亚 硝酸 喜 s 4 口 2 1 盐氮和硝酸盐氮 , 在B A R反应器 中, “ 三氮” 的去 除 主要通 过 物理 吸附 和生物 脱氮 两个 途径来 实 现 。随 着运行时间的延长 , 氨氮浓度呈下降趋势 , 硝酸盐氮 浓度升高 , 亚硝酸盐氮浓度忽高忽低 ( 见图 4 ) 。这 是 因为 随着 B A R反 应器 运行 时 间的延 长 , 挂片 生物 O 0 7 1 4 21 3 O 6 o 9 O 1 2 0 1 5 0 1 8 021 02 4 0 t / d 图 2 运行 时间对 出水溶解 氧的影响 F i g . 2 E f e c t o f o p e r a t i o n t i me O i l d i s s o l v e d o x y g e n i n e mu e n t wa t e r 膜 厚度 逐渐 增加 , 对 污染 物 有 一 定 吸 附能 力 ; 另外 , 生物膜 中微生物对污染物存在较高的降解活性Ⅲ , 随着运 行 时间 的延长 , 当进 水溶 解 氧充足 时 , 硝 化反 2 . 1 . 2 p H值 应进行得比较彻底 , 氨氮浓度降低 , 同时, 硝化细菌 数量倍增 , 出水硝酸盐氮浓度增加 ; 而亚硝酸盐氮作 在反应器整个运行期 间, p H值变化较小 , 保持 ? 41 ? 第3 2 卷 第9 期 中 国 给 水 排 水 一 _ 1 g一 O 0 O O 0 z 0 O 为硝 化反 应 的 中间产物 , 浓 度并 不稳定 , 其 变化 取决 效 率下 降; 另一 方面 , 随着 运行 时 间的延 长将会 出现 ∞ 加 m O 于硝化反应进行的程度 。总氮是无机氮和有机氮的 总和, 是 判断 水 污染 程 度 的重 要 指标 之 一 。总氮 浓 度随着反应器运行时间的延长而略有下降, 这或许 是 由于吸 附和反 硝化所 致 。 2 . 5 O 2 . 0 0 1 . 5 0 1 . 0 0 z 05 O . 部分生物膜老化脱落现象 , 生物膜 吸附的还原性有 机物 再次 回到水 中 , 从 而增 加 了 C O D 浓 度 , 尽 管 局 部会 发生 反硝 化作用 , 但 所消耗 的 C O D 量有 限 , 因 此低 进水 C O D 浓 度下 实 际可供微 生物 利用 的碳 源 较少 , 出水 C O D 值 变化 较小 。 1 4 5 4 0 3 5 3 O 1 1 1 2 5褂 2 0 1 5稍 1 0 5 0 O 7 1 4 2 1 3 0 6 0 9 0 1 2 01 5 O1 8 021 O 2 4 0 曼 吕 U 0 t / d a .NH N O 7 1 4 21 3 O 6 0 9 0 1 2 01 5 01 8 02 1 02 40 t / d b . N O : 一 N 二 - 、2 . ÷ 1 ? 1 . 0 nd a r i c h n e s s i n d i c e s Z0 . 项目 O 7 1 4 2 1 3 O 6 O 9 0 1 2 01 5 01 8 O21 02 4 0 t / d 0 r I ’ U 95 2 C h a o l 1 7 76 S h a n n o n C o v e r a g e 6. 4 9 0. 91 0 D9 0 D1 2 0 D1 8 0 D24 0 1 1 6 8 1 2 7 3 1 41 0 1 8 9 4 2 2 7 5 2 4 97 5 . 8 7 6 . 1 2 5. 9 9 0 . 9 4 0 . 9 3 0. 9 5 C . NO _ _ N 图 4 运 行 时 间对 出水 “ 三氮” 的 影 响 F i g . 4 E f e c t o f o p e r a t i o n t i me o n NH4 +一N, N0 —N a n d NO 3 -一N i n e f l u e n t wa t e r C o v e r a g e指 数 被用 来 反 映 测 序 深 度 , 由表 1可 以看 出 , 所 有样 品覆 盖率 均 达 到 9 0 %以上 , 表 明测 序序列 归类 到 O T U后 , 能够 有效 表征 样本 中微 生物 2 . 1 . 5 CODM C O D 的去 除主要 通过 微 生 物 的降解 作 用 。出 水C O D 包 括原 水 中难 生物 降解 的有 机 物 、 微 生 物 吸收分 解有 机物 时产 生 的 中间产物 以及 细胞 物质 内 种群 。C h a o l和 S h a n n o n 值分别被用来评价样品的 微生 物丰 度和 多样性 , C h a o l 值越大 , 表 明生 物 膜样 品中 的微 生物 数量 越 多 ; S h a n n o n值 越 大 , 表 明每个 微 生物 均归类 于不 同种 属 , 即生物 膜多样 性 越丰 富 。 源代谢 产 生 的残 留 物 等。在 整 个 运 行 过 程 中, C O D 浓度基本保持不变 ( 见图5 ) 。这主要是 因为 随着 反应 器运行 时 间 的延 长 , 生物 膜厚 度增 加 , 微 污 染原水 中有机物的扩散速率降低 , 生物膜对其消耗 ? 由表 1还可 以看 出 , D 2 4 0生 物膜样 品具 有 最 高 的微 生 物丰 度 , 而D 9 0样 品 的微 生 物 多样 性最 丰 富 。这 主要是 因为 微 生 物 生 长遵 循 着 “ 适者生存 , 优 胜 劣 汰” 的 自然 规律 , 在 运行 初 期 , 水 中微 生 物 刚 刚 附着 4 2? W W W . w a t e r g a s h e a t . c o n r 雒江 菡, 等: 输水管道生物膜 的生长过程及 其对水质 的影响 第3 2卷 第 9期 到管壁 , 多样性较高 , 而 随着运行时间的延长 , 优势 菌群大量繁殖 , 消耗了营养 , 从而淘汰了一些劣势微 量 之间存 在 显著 的正 相 关 关 系 , 浮霉菌 门( P l a n c t o . m y c e t e s )和 疣 微 菌 门 ( V e r r u c o mi c r o b i a )与 生 境 的 N O ;一N含量 存 在 显 著 的 负相 关 关 系 , 由此 可 以推 断出, 原水 污染 物组 成显 著影 响 B A R反应 器生 物膜 的微 生 物群落 结构 。 四个 生物 膜样 品 中共 发 现 4 5个 细 菌属 , 其 中主 生物 , 导致微生物多样性降低 , 但是微生物 的丰度增 加。 2 . 2 . 2 微 生物 群落 结构 分析 由于反应 器 挂片上 的微 生物 主要 来 源于微 污染 原水 中, 四个生物膜样 品存在一定 的相似性 。但 由 于反 应 器运行 时 间 不 同 , 微 生 物在 挂 片 表 面 生 长 的 选择性也不同, 四组样品微生物种群结构逐渐呈现 较大 差异 性 , 即O T U共享 性 降低 。 将均 一化 的有 效 序列 与 S I L V A 1 0 6数 据 库进 行 比对 , 所 有生 物 膜 样 品 中 O T U经 聚类 后 , 四组 样 品 要细 菌属有 2 4个 ( 相对 丰度 >1 %) , 在属 的水平 上, 生物膜微 生物群 落结构 存在 较 大差异。D 9 0 、 D 1 2 0 、 D 1 8 0及 D 2 4 0生 物膜 优势 细 菌属 分 别 为菌 胶 团属 ( 2 9 . 8 %) 、 微球菌属 ( 4 8 . 5 8 %) 、 明 串珠 菌 属 ( 2 5 . 9 1 %) 和假 单 胞 菌 属 ( 1 9 . 0 4 %) 。 随 着 反应 器 运行时间的延长 , 假单胞菌属 ( P s e u d o m o n a s ) 和肠球 菌属 ( E n t e r o c o c c u s ) 的丰度 显 著增 加 , 而菌 胶 团属 ( Z o o g l o e a ) 、 不 动杆菌属 ( A c i n e t o b a c t e r ) 、 副 球 菌 属 ( P a r a c o c c u s ) 、 丛 毛单胞 菌属 ( C o m a m o n a s ) 的 丰度 显 著 降低 。N i t r o s p i r a在 D1 8 0生物 膜 样 品上 有较 高 的 共测得 2 6个细菌 门( 相对丰度 > 0 . 0 1 %) , 与 常规 分子生物学手段相 比, 4 5 4高通量焦磷酸测序可 以 提供 更 丰 富的微 生 物 信息 , J 。从 测 定 结 果看 , 四 个样 品 的 O T U 分布 区 间与各 O T U相对 丰 度 也 有显 著差 异 。D 9 0 、 D 1 2 0 、 D 1 8 0和 D 2 4 0分 别 检 测 到 2 l 、 1 0 、 8和 1 4个 门 , 由此 可 以推 断 , D 9 0样 品 有较 高 的 丰度 , L i m等H 研究结果显示 N i t r o s p i r a 是一类参与 硝化 作 用的 主要 微 生物 , 能够 降解 氨氮 , 本研 究也得 到了同样 的结果 , 在反应器运行至第 1 8 0天时, 对氨 氮 的去 除率最 高 , 因此生 物 膜 中微 生物 能 反 作 用 于 出水 水 质 。另 外 , 每 个样 品 中平 均 有 0 . 1 7 % 一 0 . 4 2 % 的序列不 能分 入 已知 细 菌属 , 说 明这 些 细 菌 微生物多样性 , 这与 S h a n n o n指 数分 析结果 一致。 四个 生物 膜样 品 ( 相对 丰度 >0 . 1 %) 均 含 厚 壁 菌 门 ( F i r m i c u t e s ) 、 放线 菌 门 ( A c t i n o b a c t e r i a ) 、 变形菌门 ( P r o t e o b a c t e r i a ) 、 硝化螺 旋菌 门 ( N i t r o s p i r a e ) 、 酸杆 菌门( A c i d o b a c t e r i a ) 、 拟杆菌 门( B a c t e r o i d e t e s ) 、 绿 弯 菌门( C h l o r o l f e x i ) 、 浮霉 菌 门 ( P l a n c t o m y c e t e s ) 及疣 微 菌门( V e r r u c o m i c r o b i a ) 等 9个 f - I 。D 9 0 、 D 1 2 0 、 D1 8 0 可能是未知种类 , 未来需要借助新的检测手段来充 实生 物膜 微生 物生 态信 息 ’ 1 。 3 结论 ① 随着 B A R反 应 器运 行 时 间 的延 长 , p H值 和C O D 浓度 变 化较 小 , 溶 解氧 、 N H 4 +一N和 T N浓 度逐 渐 降低 , 运行 至第 1 8 0天时 , 对N H 4 +一N和 T N 的去 除率 最 高 , 分别为 4 1 . 3 %和 3 0 . 3 %, 浊 度 则 忽 和D 2 4 0的优势菌 门分别为 变形菌 门( P r o t e o b a c t e — r i a ) 、 放线菌 门 ( A c t i n o b a c t e r i a) 、 变形 菌 门 ( P r 0 一 t e o b a c t e r i a ) 和厚壁菌 门( F i r m i c u t e s ) , 它们 曾被证实 是 MB R反应 器 的优 势菌 门 引。随着 运行 时 间的延 长, 厚壁菌 门( F i r m i c u t e s ) 的丰度逐渐增加 , 并 成 为 了D 2 4 0生物膜样品的优势菌群 , 这主要是 因为厚 壁菌 门( F i r m i c u t e s ) 多数为革兰氏阳性菌 , 大多可以 产生 芽 孢 而 抵 抗 极 端 环 境 , 并 且厚 壁菌 门 ( F i r m i . 高忽低。 ② 由4 5 4高通量测序结果可知, 四个生物膜 样品中微生物种类有一定的共性 , 四个生物膜样品 ( 相对 丰 度 >0 . 1 %) 均含 厚 壁 菌 门 ( F i r m i c u t e s ) 、 放 线菌 门 ( A c t i n o b a c t e r i a ) 等 9个 f - j ; 但 各 样 品 的优 势 菌群 及 多样 性存 在 较 大 差 异 , 四个 样 品优 势 菌 属分 c u t e s ) 与生境 的 N O ;一 N含量存在显著的正相关关 系, 第2 4 0天 的出水 N O 3 - 一N含量最高 ; 硝化螺旋 菌门( N i t r o s p i r a e , 1 4 . 2 5 %) 在D 1 8 0生 物膜 样 品 中的 丰度最大 , 这 与氨氮去除率变化 规律相一致 , 在第 1 8 0天时 B A R系统对氨氮的去除率最高 ; 拟杆菌 门 ( B a c t e r o i d e t e s , 2 . 3 7 %) 、 疣微菌 门 ( V e r r u c o m i c r o b i a , 1 . 1 5 %) 和 浮霉 菌 门 ( P l a n c t o m y c e t e s , 1 . 5 2 %) 在D 9 0 生 物膜 样 品 中 比其 他 三 个样 品有 更 高 丰 度 , 有 研 究 证实 , 拟杆 菌 门( B a c t e r o i d e t e s ) 与生境 的 N H4 +一N含 别为菌胶 团属 ( 2 9 . 8 %) 、 微球菌属( 4 8 . 5 8 %) 、 明串 珠菌属 ( 2 5 . 9 1 %) 和假 单胞菌属 ( 1 9 . o 4 %) , 而且 D 9 0生物膜的微生物多样性最高, D 2 4 0生物膜则具 有最高的微生物丰度。 ③ B A R系 统 水 质 变 化影 响生 物 膜 微 生 物 的 群 落结 构 , 同时 , 生物 膜 中 的微 生物 影 响污染 物 的降 解, 从 而影 响 出水水 质 。 ? 43 ? 第3 2 卷 第9 期 中 国 给 水 排 水 W W 3 q . w a t e r g a s h e a t . C O B 参考 文献 : [1] 董 丽华 .配水管 网中细菌 再生长 的研 究与预测 [ D] . n c e s [ J ] .N u c l e i c A c i d s R e s , 2 0 0 9 , 3 7 ( 1 0 ) : 7 6 . m S Y, Ki m S, Ye o n K M .C o re l a t i o n b e t w e e n mi c r o — [ 1 2 ] Li b i l a c o mmu n i t y s t uc r t u r e nd a b i o f o u l i n g i n a l a b o r a t o y r s c a l e me mb r a n e b i o r e a c t o r wi t h s y n t h e t i c w a s t e w a t e r 天津 : 天津大学 , 2 0 0 4 . [ 2] L e h t o l a M J , Mi e t t i n e n I T, K e i n a n e n M M.Mi c r o b i o l o - g Y, c h e mi s t r y a n d b i o i f l m d e v e l o p me n t i n a p i l o t d in r k i n g w a t e r d i s t i r b u t i o n s y s t e m w i t h c o p p e r a n d p l a s t i c p i p e s [ J ] .D e s a l i n a t i o n , 2 0 1 2 , 2 8 7 : 2 0 9— 2 1 5 . [ 1 3 ] Ga o D W, F u Y, T a o Y. L i n k i n g mi c r o b i a l c o mmu n i t y s t r u c t u r e t o me mb r a n e b i o f o u l i n g a s s o c i a t e d w i t h v a r y i n g [ J ] . Wa t e r R e s , 2 0 0 4 , 3 8 ( 1 7 ) : 3 7 6 9— 3 7 7 9 . [ 3] B a c h m a n n R T, E d y v e a n R G J .B i o f o u l i n g : a n h i s t o i r c a n d c o n t e mp o r a r y r e v i e w o f i t s c a u s e s , c o n s e q u e n c e s a n d d i s s o l v e d o x y g e n c o n c e n t r a t i o n s [ J ] .B i o r e s o u r T e c h n o l , 2 0 1 1 , 1 0 2 ( 1 0 ) : 5 6 2 6— 5 6 3 3 . c o n t r o l i n d i r n k i n g w a t e r d i s t i r b u t i o n s y s t e m s [ J ] .B i o — i f l m s , 2 0 0 5 , 2 ( 3 ) : 1 9 7—2 2 7 . 王志伟 , 马金 星 , 等. 4 5 4高通量 焦磷酸测 序 [ 1 4 ] 唐霁旭 , 法鉴定膜生物反应器膜污染优势菌种 [ J ] .微生物学 通报 , 2 0 1 4 , 4 1 ( 2 ) : 3 9 1 — 3 9 8 . u t e r e l o I 。 S h a r p e R L, B o x ll a J B. I n l f u e n c e o f h y ? [ 1 5 ] Do d r a u l i c r e g i me s o n b a c t e r i l a c o mmu n i t y s t uc r t u r e a n d c o mp o s i t i o n i n a n e x p e i r me n t a l d i r n k i n g wa t e r d i s t r i b u — [ 4] 白晓慧 , 周斌辉 , 朱斌 , 等.上海市供 水管 网内壁 生物 膜 的微生 物特 征 分析 [ J ] .中国给 水排 水 , 2 0 0 7 , 2 3 ( 1 1 ) : 1 0 5 —1 0 8 . [ 5] L e e D G, P a r k S J , K i m S J .I n f l u e n c e o f p i p e ma t e r i a l s a n d VB NC c e l l s o n e u l t u r a b l e b a c t e i r a i n a c h l o i r n a t e d d i r n k i n g w a t e r m o d e l s y s t e m[ J ] .J Mi c r o b i o l B i o t e c h n — o l , 2 0 0 7 , 1 7 ( 9 ) : 1 5 5 8 —1 5 6 2 . t i o n s y s t e m[ J ] .Wa t e r R e s , 2 0 1 3 , 4 7 ( 2 ) : 5 0 3— 5 1 6 . r t i n y A C, A l b r e c h t s e n H J .I d e n t i ic f a t i o n o f b a c t e i r a [ 1 6 ] Ma i n b i o i f l m a n d b u l k wa t e r s a mp l e s f r o m a n o n c h l o r i n a t e d mo d e l d in r k i n g w a t e r d i s t i r b u t i o n s y s t e m: De t e c t i o n o f a l a r g e n i t i r t e - ? o x i d i z i n g p o p u l a t i o n a s s o c i a t e d w i t h Ni t r o s p i ? - [ 6] F e a z e l L M, B a u m g a r t n e r L K, P e t e r s o n K L , e t a 1 .O p — p o r t u n i s t i c p a t h o g e n s e n ic r h e d i n s h o we r h e a d b i o f i l ms [ J ] .P r o c N a t l A c a d S c i , 2 0 0 9 , 1 0 6( 3 8) : 1 6 3 9 3— 1 6 3 98. r a s p p . [ J ] .A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 5 , 7 1 ( 1 2) : 8 61 1 —8 61 7. [ 7] M a J X, Wa n g Z , r a n g Y, e t a 1 .C o r r e l a t i n g m i c r o b i l a c o mmu n i t y s t r u c t u r e a n d c o mp o s i t i o n wi t h a e r a t i o n i n t e n — s i t y i n s u b me r g e d me mb r a n e b i o r e a c t o r s b y 4 5 4 h i g h — t h r o u g h p u t p y r o s e q u e n c i n g [ J ] .Wa t e r R e s , 2 0 1 3 , 4 7: 85 9—8 6 9. [ 8] 张珍妮 , 吴晓芙 , 陈永华 , 等.D G G E技术 在环境微 生 物多样性 研究 中的应 用 [ J ] .生 物 技术 通 报 , 2 0 0 9 , 1 2: 48 —5 2. [ 9] Y e L, S h a o M F , Z h a n g T .A n a l y s i s o f t h e b a c t e i r a l c o n— mu n i t y i n a l a b o r a t o y— r s c a l e n i t i r ic f a t i o n r e a c t o r a n d a w a s t e w a t e r t r e a t me n t p l nt a b y 4 5 4 - p y r o s e q u e n c i n g [ J ] . Wa t e r R e s , 2 0 1 1 , 4 5 ( 1 5 ) : 4 3 9 0— 4 3 9 8 . [ 1 0 ] Ha a s B J , G e v e r s D, E a r l A M, e t a 1 .C h i m e i r c 1 6 S r RNA s e q u e n c e f o r ma t i o n a n d d e t e c t i o n i n S ng a e r a n d 作 者简 介 : 雒江 菡 ( 1 9 8 0一 ) , 女, 黑龙 江 哈尔 滨 4 5 4 - p y r o s e q u e n c e d P C R a m p l i c o n s [ J ] .G e n o m e R e s , 2 0 1 1 , 2 1 ( 3 ) : 4 9 4— 5 4. 0 人 , 博 士 , 讲 师 , 从事 水处 理理 论与 技 术研究 。 E —ma i l : 6 49 99 31 9 2@ q q. C O n r [ 1 1 ] S u n Y, C a i Y, L i u L , e t a 1 .E S P R I T : e s t i m a t i n g s p e c i e s ic r h n e s s u s i n g l a r g e c o l l e c t i o n s o f 1 6 S r RNA p y r o s e q u e 一 收 稿 日期 : 2 0 1 6— 0 1— 2 7 ? 4 4?

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