Characteristics of sewer biofilms in aerobic rural small diameter gravity sewers

有氧農(nóng)村小直徑重力下水道中生物膜的特性

來源: Journal of Environmental Sciences, 90 (2020) 1-9

《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》，第90卷 2020年 1-9頁

 

摘要

介紹了小直徑重力下水道（SDGS）因其低成本和快速建造的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村污水收集，但對(duì)其生物膜特性尚不清楚。本研究通過實(shí)驗(yàn)室模擬不同水流條件和坡度，研究了有氧農(nóng)村SDGS生物膜的特性。結(jié)果表明，生物膜平均厚度在350-650μm之間，在變流和高坡度條件下厚度減小；蛋白質(zhì)是生物膜胞外聚合物（EPS）中最豐富的物質(zhì)；通過16S rRNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、放線菌門和擬桿菌門，且功能菌在不同條件下分布不同；變流條件下反硝化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原菌（SRB）的相對(duì)豐度低于穩(wěn)流條件；高坡度（15‰）減少了SRB的存在，這可用于緩解有氧SDGS中H2S的積累。總體而言，本研究描述了有氧農(nóng)村SDGS生物膜的特性，并基于這些特性為SDGS的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了寶貴建議。

 

研究目的

探究有氧農(nóng)村小直徑重力下水道（SDGS）中生物膜的特性，包括其形態(tài)、組成和細(xì)菌群落，并重點(diǎn)考察水流條件（穩(wěn)流與變流）和管道坡度對(duì)生物膜特性的影響，以期為SDGS的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和建議。

 

研究思路

通過搭建六組實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SDGS模擬系統(tǒng)，在不同水流條件（穩(wěn)流、變流）和不同坡度（5‰、10‰、15‰）下運(yùn)行，培養(yǎng)成熟生物膜后，對(duì)生物膜樣本進(jìn)行采集和分析。分析內(nèi)容包括生物膜的形態(tài)（如厚度）、化學(xué)成分（如EPS組成）和微生物群落結(jié)構(gòu)（通過16S rRNA高通量測(cè)序），特別關(guān)注了功能菌群的分布，從而揭示水流條件和坡度對(duì)SDGS生物膜特性的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 生物膜厚度：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)和彎絲測(cè)量，數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于厚度反映了生物膜的宏觀生長狀況，受水流剪切力和環(huán)境條件影響，是評(píng)估生物膜物理特性和反應(yīng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)。

 

2 總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）：使用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量。研究意義在于VS/TS比值高表明生物膜有機(jī)質(zhì)含量高，生物活性強(qiáng)，反映了生物膜的組成和潛在代謝活性。

3 胞外聚合物（EPS）組成：測(cè)量了蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)和多糖的含量。研究意義在于EPS影響生物膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、附著性和傳質(zhì)過程，蛋白質(zhì)作為主要成分其變化反映了生物膜對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。

4 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)：通過Illumina HiSeq測(cè)序16S rRNA基因，分析了門水平和屬水平的菌群分布，數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義在于揭示微生物群落的整體構(gòu)成和多樣性，幫助理解SDGS生物膜的生態(tài)功能。

 

5 功能細(xì)菌的相對(duì)豐度：包括反硝化細(xì)菌（DNB）、氨氧化細(xì)菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）、硫氧化細(xì)菌（SOB）和硫酸鹽還原菌（SRB），數(shù)據(jù)來自圖6。研究意義在于這些功能菌直接參與氮、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，影響污水的預(yù)處理效果和硫化氫等惡臭氣體的產(chǎn)生，其豐度變化對(duì)于評(píng)估和控制下水道環(huán)境至關(guān)重要。

 

結(jié)論

1 有氧農(nóng)村SDGS生物膜的平均厚度在350-650μm之間，變流條件和高坡度會(huì)導(dǎo)致厚度減小。

2 蛋白質(zhì)是SDGS生物膜EPS中最主要的組分。

3 優(yōu)勢(shì)菌門是變形菌門、放線菌門和擬桿菌門，優(yōu)勢(shì)菌屬是Arenimonas、Paenarthrobacter和Flavobacterium。

4 檢測(cè)到了DNB、AOB、NOB、SRB和SOB等功能菌，其中DNB的豐度明顯高于其他功能菌。

5 水流條件和坡度對(duì)生物膜的形態(tài)和菌群特性有顯著影響，且水流條件的影響更為明顯。變流條件降低了生物膜厚度、菌群多樣性以及部分功能菌（如NOB、DNB、SRB）的相對(duì)豐度。基于穩(wěn)流條件的研究可能會(huì)高估功能菌在真實(shí)流動(dòng)條件下的豐度。

6 高坡度（15‰）在變流條件下降低了SRB的豐度，提高了SOB的豐度，有助于降低H2S積累和惡臭產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

 

使用丹麥unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量出的生物膜厚度數(shù)據(jù)具有重要的研究意義。該電極提供了高分辨率的空間測(cè)量（分辨率50μm），能夠精確刻畫生物膜在三維空間上的分布異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)生物膜在最厚處通常位于水-氣界面，這是因?yàn)樵撎幖羟辛ο鄬?duì)較低而局部溶解氧濃度較高。這種精確的厚度測(cè)量使得研究者能夠定量評(píng)估水流剪切力（由水流條件和坡度導(dǎo)致）對(duì)生物膜生長和穩(wěn)定性的影響，例如變流條件產(chǎn)生的時(shí)變高剪切力可以沖刷生物膜使其變薄。因此，這些厚度數(shù)據(jù)是連接流體力學(xué)條件與生物膜生理生態(tài)特性的關(guān)鍵橋梁，對(duì)于理解和預(yù)測(cè)下水道中生物膜相關(guān)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化（如硫化氫生成）和系統(tǒng)管理具有重要意義。