基于活性微生物特征的供水管壁生物膜生长特性

管网生物膜由各种活性微生物、微生物残体及有机无机杂质组成,管网生物膜的生长会导致机会致病菌寄居、管道腐蚀以及水质恶化等系列饮用水卫生问题。为研究供水管壁生物膜形成过程和附着生长活性微生物的分布特征,采用异养菌平板计数(HPC)、流式细胞术(FCM)和16S rRNA高通量测序对3种典型室内供水管材:聚氯乙烯(PVC)、无规共聚聚丙烯(PPR)、不锈钢(STS)内壁活性微生物的生长特性和群落多样性进行了分析。结果表明,PVC管壁生物量在第73 d最先达到峰值,3种管材内壁单位面积最大生物量、生物膜成熟时期生物量均呈现PVCPPRSTS的规律。3种管材表面活性细菌群落结构组成上,PVC管表面主要以硝化螺旋菌门为主,PPR和STS管以疣微菌门为主,其中STS管壁上生物膜物种丰富度最低、多样性最小,群落结构最简单。PVC和PPR管内壁表面相较STS管存在更多的蓝藻细菌和放线菌,在饮用水输配过程中更易引发饮用水嗅味问题。管材介质对管壁生物膜上微生物群落结构存在一定影响。     

供水管网不同管材内壁微生物分布的显微观察

采用扫描电镜、原子力显微镜以及激光共聚焦显微镜对不锈钢插片表面和供水管网末端PPR管内壁微生物的分布和生物膜结构进行了观察和分析.结果表明,在供水管网中,不锈钢材质表面不利于微生物附着生长,在短时间内(3个月)只有很少的微生物附着.在管网末端PPR管表面有明显的微生物附着生长,细菌容易附着在基底表面的凹穴中,细菌与基底是紧密黏附在一起的.扫描电镜和原子力显微镜结合是观察管壁非连续生长生物膜表面结构的有效手段.采用激光扫描共聚焦显微镜可同时实现管壁生物膜内部和三维结构观察.     

管材对供水管网生物膜微生物种群多样性的影响

研究了3种管材(灰口铸铁管、镀锌管和不锈钢复合管)对管网生物膜微生物种群多样性的影响.采用R2A平板培养计数可培养细菌、荧光定量PCR计数细菌总数、流式细胞法确定活菌比例、扫描电镜观察生物膜形态,高通量测序研究管段生物膜微生物种群多样性.研究结果表明:灰口铸铁管可培养菌数和细菌总数都最高,其次是镀锌管,不锈钢复合管可培养菌数和细菌总数都最少,但活菌比例方面镀锌管活菌比例高于灰口铸铁管和不锈钢复合管.扫描电镜结果与可培养菌数及细菌总数结果一致,即灰口铸铁管细菌量最高,不同管材管壁生物膜细菌形态皆以球菌和杆菌为主,并无显著差异.微生物种群多样性结果显示:灰口铸铁管生物膜种群多样性最高,镀锌管生物膜种群多样性相对较为单一,不锈钢复合管生物膜种群多样性最低.饮用水管网生物膜种群以变形菌门为主,各管道变形菌门都高达90%以上,不同管材生物膜细菌群落组成有很大差异.本研究结果对今后饮用水供水管段材料的选取具有指导性意义.     

滞流工况下管网水中微生物群落对铁释放的影响

为探究不同供水管道滞流过程中,管网水细菌数量和微生物群落结构对铁释放影响作用,研究依托搭载于实际供水管网中的试验平台,分别采用传统R2A培养法计数可培养腐蚀细菌数量,和高通量测序分析水中微生物群落结构.结果显示,滞流过程中不同管材管网水微生物群落以变形菌门(Proteobacteria)为主,占到86.69%~91.36%.在纲水平上,a-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和放线菌纲(Actinobacteria)含量较高,可达50%以上.总铁浓度与铁氧化细菌和硫酸盐还原菌的相关性较强,且球墨铸铁管管网水中腐蚀细菌对总铁释放的影响性相较于HDPE管的要大.通过相关性系数分析和RDA分析,门水平上Proteobacteria、Actinobacteria和Acidobacteria以及纲水平上的Alphaproteobacteria、Betaprotebacteria和Bacilli对铁释放起到促进作用.     

环氧树脂封面层对球墨铸铁管生物膜的影响

以实际全比例非循环管道中试平台中水泥砂浆内衬球墨铸铁管为研究对象,通过分析生物膜的理化指标及微生物的群落结构来研究环氧树脂封面层对管道生物膜的影响.研究发现,相比于普通水泥砂浆内衬的球墨铸铁管,增加环氧树脂封面层后的管道不易吸附、沉积各种物质,对生物膜细菌丰度及群落结构均有影响,其管壁生物膜细菌总数为4.01×10⁴copies/cm²,可培养菌数量为1.40×10CFU/cm²,另外其物种丰度较高而多样性较低.因此增加环氧树脂封面层的水泥内衬球墨铸铁管是一种更为优良的管材.     

北京市模拟给水管网管壁微生物膜群落分析

以北京市模拟给水管网管壁微生物膜为研究对象,采用HPC(异养菌平板计数)和PCR-SSCP(单链构象多态性)方法,分析模拟给水管网管壁微生物膜异养菌数目和微生物群落结构.结果表明,在相同流速条件下,镀锌钢管的管壁微生物数量约为PVC管的5倍.在相同材质的镀锌钢管内,死水区的HPC计数量约为0.6m·s-1,是流速区的1/5.计数结果的差异可能与不同材质表面的光滑度及流速造成微生物生长所需的氧气和营养基质不同有关.而不同材质和不同流速区微生物群落的SSCP电泳图谱则显示为一样,均在相同位置出现同样条带.测序结果显示, SSCP电泳图中的3条带与蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus, GenBank登录号为AB190077)、假单胞菌(Peudomonas sp.yged143, GenBank登录号为EF419342)和未分类细菌(Bacterium UASWS0134, GenBank登录号为DQ190347)的同源性分别为100%、99%和94%.测序结果的一致性可能与取样点为同一模拟管网,距离比较接近,不同微生物容易在其中流动和转移有关.而潜在致病菌蜡状芽孢杆菌和假单胞菌的存在则提示应该更加重视饮用水的微生物安全性.     

不同供水管材生物膜抗生素抗性基因分布特征

为了研究不同材质供水管道内壁生物膜中抗生素抗性基因分布特征和水平转移潜力,利用宏基因组测序对304、316 L不锈钢管和PPR、PE塑料管内壁生物膜进行了分析.结果表明,4种管材内壁生物膜中共检出17类146种抗生素抗性基因.多药类抗性基因在不同管材生物膜中的丰度最高且差别较大,是不同管材生物膜抗生素抗性基因差异的主要原因.不同管材生物膜中可移动遗传元件的总丰度水平较高,但整体上和抗生素抗性基因共存的比例较低,其中整合酶基因表现出和抗生素抗性基因更加密切的关系,可能在抗生素抗性基因的水平转移上发挥重要作用.不同的抗性基因拥有不同种类的潜在宿主,水杆菌属（Aquabacterium）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）等高丰度宿主是多药类抗性基因大量存在的基础.不同管材管壁生物膜中抗生素抗性的首要影响因素是细菌群落组成,其次是可移动遗传元件介导的基因水平转移;物种组成和可移动遗传元件共同塑造了抗性基因的分布特征.     

纸板碳化电极提高生物电化学系统产电效率微生物机理研究

采用Solexa高通量测序技术和蛋白定量方法,分析了碳化纤维素纸板制备的层状波纹碳(LCC)电极与石墨板(GP)电极在生物电化学系统运行过程形成的生物膜微生物群落结构和生物量差异.结果表明,LCC电极良好的生物电化学性能不仅取决于其良好的导电性能,还与其表面生物膜微生物群落结构有关;LCC电极表面生物膜微生物量高,且对产电微生物的富集效果好.LCC电极与GP电极表面生物膜分别得到16S rRNA基因V3区优化序列12643条和12837条,经97%相似度归并后获得的OTUs数量分别为2786和3130;α多样性分析显示,GP电极生物膜微生物多样性相对更丰富.Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes在两种电极生物膜中含量最为丰富,这3个门细菌序列数分别占总序列数的76%(LCC)和85%(GP).在属分类水平上,LCC电极生物膜由383个属的细菌构成,而GP电极生物膜则有456个属.深入分析电极生物膜微生物群落结构有助于进一步认识LCC电极提高生物电化学系统产电效率的机理.     

模拟配水管网中管材和余氯对生物膜形成的影响

 以环状生物膜挂片反应器(BAR)模拟实际管网,研究了有氯、无氯2种原水情况下,镀锌钢、铸铁、不锈钢、PE、UPVC5种管材上细菌的生长规律.结果表明,单位面积最大细菌数,镀锌钢>铸铁>UPVC>不锈钢>PE;在无氯原水的试验中,达到单位面积最大细菌数所需天数,镀锌钢>(铸铁、不锈钢)>UPVC,PE管上细菌没有较大增加.加氯可控制镀锌钢、PE、UPVC上细菌的生长速度,此外,3种金属管材会发生锈蚀,引起水浊度、色度上升;PE是防止微生物在管壁生长最理想的管材;不锈钢则是值得选择的金属材料.     

O3-BAC深度处理工艺中细菌群落时空分布及动态变化规律

为弄清饮用水O₃-BAC深度处理工艺过程中细菌群落的时空分布和动态变化规律,本研究以我国南方某O₃-BAC深度处理工艺水厂为研究对象,采用NovaSeq6000高通量测序技术对夏季和冬季各工艺单元出水及滤砂和活性炭生物膜等细菌群落进行解析.结果表明,出厂水pH、浊度、COD_Mn、菌落总数等指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求.夏季细菌群落多样性明显高于冬季,活性炭生物膜的细菌群落多样性高于滤砂生物膜;混凝沉淀、臭氧化和消毒是影响细菌群落多样性的主要工艺单元.水样和生物膜样品绝对优势菌门均为变形菌门（Proteobacteria）,且主要菌门组成大体相同,但细菌群落门水平相对丰度存在一定的时空差异,属水平上差异则更为明显.此外,检测到的条件致病菌属主要包括芽孢杆菌属（Bacillus）、不动杆菌属（Acinetobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）和分支杆菌属（Mycobacterium）,且其所占核心微生物OTUs数目不受季节性影响.水温和生物可降解溶解性有机碳（BDOC）是显著影响细菌群落分布的主要水质参数.以上研究结果表明,O₃-BAC深度处理工艺过程中细菌群落具有时空变化特性,并可为饮用水微生物安全保障提供支撑.     

Impact of disinfection on drinking water biofilm bacterial community

Disinfectants are commonly applied to control the growth of microorganisms in drinking water distribution systems. However, the effect of disinfection on drinking water microbial community remains poorly understood. The present study investigated the impacts of different disinfectants (chlorine and chloramine) and dosages on biofilm bacterial community in bench-scale pipe section reactors. Illumina MiSeq sequencing illustrated that disinfection strategy could affect both bacterial diversity and community structure of drinking water biofilm. Proteobacteria tended to predominate in chloraminated drinking water biofilms, while Firmicutes in chlorinated and unchlorinated biofilms. The major proteobacterial groups were influenced by both disinfectant type and dosage. In addition, chloramination had a more profound impact on bacterial community than chlorination.     

塑料管材输配水过程中有机物释放规律研究

研究了目前给水管网中常用的3种塑料管材,未增塑聚氯乙烯(uPVC),聚乙烯(PE)和无规共聚聚丙烯(PPR)管在输配水过程中有机物的释放规律.通过静态管段实验模拟给水管网中不同输配水状态,选取总有机碳(TOC)为综合评价指标,考察了不同塑料管材中有机物随时间的迁移释放特性,并分析了管材有机物释放对管网水中余氯消耗的影响.随着管材输配水次数的增加,uPVC管释放至水中的TOC浓度和TOC释放速率分别在0.03mg/L和0.04μg/(d?cm2)以下,而PE管和PPR管在输配水过程中TOC的释放浓度和释放速率在初期最大[PE: 0.19mg/L,0.25μg/(d?cm2);PPR:0.07mg/L,0.09μg/(d?cm2)],且后期递减并趋于平稳[PE:0.03~0.08mg/L,0.05~0.10μg/(d?cm2);PPR:0.01~0.03mg/L, 0.01~0.04μg/(d?cm2)].随着水力停留时间的增加,不同管材释放的有机物浓度持续升高.不同管材有机物的释放能力排序为:PE>PPR>uPVC.各管材的有机物释放特性直接影响管网水的余氯消耗特性,且管材的有机物释放量越多,管网水的余氯消耗越快.PE管的使用易引起水体有机污染问题.本研究明确了3种常用塑料管材的有机物释放规律,将进一步为与塑料管材安全性能评价相关的国家标准的修订提供理论依据.     

降解乙苯生物滴滤塔稳定运行期生物膜特征及微生物多样性研究

通过检测降解乙苯生物滴滤塔(BTF)长期稳定运行过程中生物量积累、塔内压降改变、生物膜显微结构特征、微生物种群分布及优势菌株分子测序,探讨BTF稳定运行期间生物膜相结构、特征及菌群多样性协作作用的规律.结果表明,生物滴滤塔运行95 d期间的降解性能稳定,降解效率保持在90%以上,最大去除负荷为62.4 g·m~(-3)·h~(-1);BTF稳定运行期间生物膜形态、颜色和厚度沿着BTF塔内废气的流向呈现不均匀分布和梯度改变的特征.生物量和生物膜的致密度沿气流方向逐步递减;塔内压降随着反应时间延长逐渐增加,但未出现堵塞现象;生物膜种群营养结构复杂,食物链长且相互交叉,高端营养级微生物种群所占比例较高;采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和分子测序技术研究降解乙苯生物滴滤塔填料表面菌群的分布特征,结果表明,在BTF不同塔层上菌群分布稍有差异,表现出明显的空间多样性,但是整个BTF生物膜具有一定的稳定性,主要的优势菌群为变形杆菌,其中优势菌包括3种伽马变形杆菌和4种贝塔变形杆菌.     

PCR-SSCP技术用于脱臭微生物群落结构的研究

采用PCR-SSCP(单链构象多态性)技术对脱臭生物滤池中填料生物膜微生物群落结构进行了研究.生物滤池对臭气中的污染物随驯化时间逐渐增强,去除率从50%升高到89%.对2种填料树皮和秸秆上生物膜的分析结果表明,滤池内微生物多样性随运行时间先降后升,从1.6～1.9上升到2以上;而2种填料上微生物的相似性逐渐增加,表明随着驯化进程,生物填料上的微生物能够利用臭气污染物进行生长,并随运行时间逐渐趋于丰富和稳定;树皮比秸秆具有较高的生物多样性,平均值分别为2.2和2.0,说明树皮上容易附着多种微生物生长,电镜照片也显示2种填料生物膜的增长和生物多样性的提高.SSCP条带测序结果表明生物滤池生物膜优势微生物种属为芽孢杆菌属,占33.3%;条带中不可培养细菌占44.4%;填料生物膜上的细菌绝大多数是广泛存在于土壤、水体及生物体中的微生物,它们对环境适应能力强,在臭气的污染物去除中扮演重要角色.     

Molecular analysis of long-term biofilm formation on PVC and cast iron surfaces in drinking water distribution system

To understand the impacts of different plumbing materials on long-term biofilm formation in water supply system, we analyzed microbial community compositions in the bulk water and biofilms on faucets with two different materials-polyvinyl chloride （PVC） and cast iron, which have been frequently used for more thanlO years. Pyrosequencing was employed to describe both bacterial and eukaryotic microbial compositions. Bacterial communities in the bulk water and biofilm samples were significantly different from each other. Specific bacterial populations colonized on the surface of different materials. Hyphomicrobia and corrosion associated bacteria, such as Acidithiobacillus spp., Aquabacterium spp., Limnobacter thiooxidans, and Thiocapsa spp., were the most dominant bacteria identified in the PVC and cast iron biofilms, respectively, suggesting that bacterial colonization on the material surfaces was selective. Mycobacteria and Legionella spp. were common potential pathogenic bacteria occurred in the biofilm samples, but their abundance was different in the two biofilm bacterial communities. In contrast, the biofilm samples showed more similar eukaryotic communities than the bulk water. Notably, potential pathogenic fungi, i.e., Aspergillus spp. and Candida parapsilosis, occurred in similar abundance in both biofilms. These results indicated that microbial community, especially bacterial composition was remarkably affected by the different pipe materials （PVC and cast iron）.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

给水管网多相界面中微生物表面疏水性研究

采用疾病控制中心（CDC）生物膜反应器模拟给水管网系统,选取聚氯乙烯（PVC）和聚碳酸酯（PC）2种材质的挂片,通过微生物粘附碳氢化合物（MATH）实验和Illumina高通量测序相结合的方法,对反应器水相、生物膜相和颗粒物相中微生物的疏水性进行了研究.结果显示,PVC材质挂片反应器中优势菌为厚壁菌门,相对丰度为68.31%~81.00%,PC材质挂片反应器中优势菌为变形菌门,相对丰度为24.39%~64.40%.PVC材质挂片反应器中优势菌包含3类致病菌,PC材质挂片反应器中包含8类致病菌.PC材质挂片生物膜相较于PVC材质疏水性更高,利于微生物吸附形成生物膜,而PVC材质不易形成生物膜,对控制输送过程中的二次污染具有积极作用,但在管网实际应用中还应考虑其他工程因素的影响.