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

城市下水道系統中微生物群落分布與有機物生物代謝的共變關系

來源：Environmental Science & Technology, Volume 52, 2018, Pages 1270-1279

《環境科學與技術》，第52卷，2018年，第1270-1279頁

 

摘要

摘要部分闡述了在1200米試驗下水道系統中研究了微生物群落的分布特征和生物多樣性。結果顯示，優勢微生物（發酵細菌FB、產氫乙酸菌HPA、硫酸鹽還原菌SRB和產甲烷古菌MA）從下水道開始到結束顯著變化。功能微生物的分布可誘導底物轉化，導致小分子有機物（如乙酸、丙酸和氨基酸）積累。然而，這些微生物引起的底物轉化受環境因素如氧化還原電位、pH和溶解氧影響。下水道環境條件的變化導致優勢生物反應變化。FB在下水道開始時富集，而SRB和MA在末端發現。基于微生物群落、環境因素和底物的Spearman秩相關分析，確定了微生物群落分布與有機物代謝沿下水道的共變關系。本研究為理解廢水從下水道到處理廠的運輸過程中水質變化提供理論基礎，促進廢水處理設計和操作的優化。

 

研究目的

研究目的是調查城市下水道系統中微生物群落的分布特征和多樣性，以及它們與有機物代謝的關系，并探討環境因素（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程，從而為廢水處理廠的優化設計提供理論依據。

 

研究思路

研究思路包括構建一個1200米長的試驗下水道系統，模擬真實下水道環境，監測沿程的廢水質量參數（如COD、BOD5、NH3-N、TN、TP）和環境因素（pH、DO、ORP）。通過定期采樣，使用高通量測序和定量PCR（qPCR）技術分析微生物群落的組成和豐度。利用丹麥Unisense微電極測量生物膜內部的DO、pH和ORP微環境。通過Spearman相關分析，確定微生物群落分布與環境因素及有機物代謝的共變關系。實驗在室溫（25±2°C）和低DO（0.3±0.05 mg/L）條件下進行，以模擬 anaerobic 環境。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了微生物群落在門水平和屬水平的相對豐度，數據來自圖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，幫助理解發酵和水解過程的空間分布。

 

 

2 測量了功能微生物（FB、HPA、SRB、DNB、MA）的16S rRNA基因拷貝濃度和相對豐度，數據來自圖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在開始時富集，SRB和MA在末端占優勢，反映代謝過程的轉變。

 

3 測量了廢水質量參數，包括有機物分子量分布、熒光強度和小分子有機物（如乙酸、丙酸）濃度，數據來自圖3和圖5。研究意義：顯示大分子有機物沿下水道分解為小分子有機物，表明水解和酸化過程，為微生物代謝提供底物。

 

4 測量了環境因素（pH、DO、ORP）在廢水和生物膜中的變化，數據來自圖5。研究意義：顯示DO和ORP沿下水道降低，pH穩定，影響微生物群落分布和代謝活動，如低ORP促進產甲烷。

5 測量了生物膜內部的微環境參數（DO、pH、ORP）使用微電極。研究意義：直接測量生物膜分層結構，揭示好氧、缺氧和厭氧區域，解釋微生物空間分布。

 

結論

1 微生物群落沿下水道顯著變化，發酵細菌（FB）在開始時富集，硫酸鹽還原菌（SRB）和產甲烷古菌（MA）在末端占優勢，反映代謝過程從發酵向產甲烷轉變。

2 環境因素（溶解氧、氧化還原電位、pH）影響微生物分布和代謝，低DO和ORP促進厭氧過程如產甲烷，而pH穩定在6.0-7.0支持多種微生物活動。

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

4 研究結果有助于預測廢水處理廠進水水質變化，優化處理工藝，減少能源消耗和提高處理效率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量生物膜中的溶解氧（DO）、pH和氧化還原電位（ORP）數據的研究意義在于提供了高分辨率、實時的微環境剖面，從而深入揭示生物膜內部的分層結構和微生物活動的空間異質性。這些測量顯示，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：好氧層支持發酵細菌（FB）進行水解和酸化，缺氧層促進硫酸鹽還原菌（SRB）活動，厭氧層則利于產甲烷古菌（MA）生長。這種分層解釋了下水道中有機物代謝的序列過程，如大分子有機物先水解為小分子，再轉化為甲烷。微電極數據通過關聯環境梯度與微生物功能，驗證了Spearman相關分析的結果，為共變關系提供了機制性見解，增強了我們對下水道生物地球化學過程的理解，并支持廢水處理廠的模擬和優化設計。