溶解氧對輸水管道生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)及出水水質(zhì)影響

雒江菡，賈瑞寶，于瑞洪，閻力君，李圭白，梁　恒

(1. 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2. 濟(jì)南市供排水監(jiān)測中心，濟(jì)南 250000；3. 黑龍江生物科技職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150025; 4. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所，哈爾濱 150076)

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溶解氧對輸水管道生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)及出水水質(zhì)影響

雒江菡1，賈瑞寶2，于瑞洪3，閻力君4，李圭白1，梁恒1

(1. 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2. 濟(jì)南市供排水監(jiān)測中心，濟(jì)南 250000；3. 黑龍江生物科技職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150025; 4. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所，哈爾濱 150076)

摘要:為提高微污染原水輸水安全性，采用生物膜環(huán)狀反應(yīng)器(biofilm annular reactor，BAR)模擬原水輸水管網(wǎng)，研究溶解氧(DO)對出水水質(zhì)及生物膜微生物的影響，運用454-高通量測序技術(shù)對生物膜的微生物多樣性和豐度進(jìn)行分析.結(jié)果表明：隨著溶解氧濃度的提高，反應(yīng)器出水濁度、總鐵、氨氮大幅度下降，該過程對總氮和CODMn去除的影響并不明顯；生物膜中的鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌的量均隨溶解氧濃度的提高而降低，而微生物多樣性和豐度(如硝化細(xì)菌)隨溶解氧質(zhì)量濃度的提高而升高.提高溶解氧能夠緩解管道腐蝕，提高管壁生物膜的凈水作用.

關(guān)鍵詞:原水；溶解氧；生物膜；454-高通量測序技術(shù)；微生物群落結(jié)構(gòu)

原水通過長距離輸送，歷經(jīng)數(shù)百千米，歷時四五小時乃至數(shù)天，密閉管道溶解氧下降，管道腐蝕加劇，消毒劑用量增加，出水濁度升高，水質(zhì)惡化，增加了水廠處理難度[1-2]；另外，原水中的微生物及微污染物易附著于管壁形成生物膜，溶解氧也將會影響生物膜中某些微生物(如鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌及硝化細(xì)菌等)的生長及作用，從而導(dǎo)致生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)的改變[3].因此，溶解氧是評價和改善水質(zhì)的重要參數(shù).

近年來，國內(nèi)外關(guān)于管網(wǎng)水質(zhì)以及生物膜的研究主要集中在給水管網(wǎng)水利條件、消毒劑及管材等因素對其的影響，關(guān)于溶解氧對生物膜及水質(zhì)的影響研究甚少.Rochex等[4]運用Rotating annular reactors研究了剪切力對生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，證實剪切力使老化生物膜不斷脫落，管壁生物膜一直處于旺盛生長狀態(tài)；Gagnon等[5]的研究表明給水管網(wǎng)消毒劑氯和氧化氯能控制生物膜的生長；Markku等[1]研究了流速對給水管網(wǎng)生物膜的影響，證實增加水流速度能夠促進(jìn)生物膜的生長；王磊等[6]通過生物膜生物反應(yīng)器研究了低溶解氧條件下生物膜的特性，證實溶解氧對生物膜外觀、微生物群落組成及除污(COD、SS)能力均有影響；Luo等[7]在輸水管網(wǎng)生物膜研究中發(fā)現(xiàn)，生物膜中的微生物在高溶解氧條件下對原水中的氨氮有較高的去除率.近幾年發(fā)展起來的454 高通量測序技術(shù)被廣泛應(yīng)用到環(huán)境微生物多樣性分析中，Hong等[8]采用高通量測序方法對給水管網(wǎng)生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在同一輸水管網(wǎng)內(nèi)不同取樣點生物膜微生物多樣性差異較大.本文擬用BAR模擬原水輸水管網(wǎng)，研究溶解氧對出水水質(zhì)及生物膜微生物的影響，運用454-高通量測序技術(shù)對生物膜的微生物多樣性和豐度進(jìn)行分析，以期為發(fā)揮管壁生物膜凈水作用和降低管道腐蝕提供參考.

1實驗

1.1實驗裝置與運行

為真實地模擬實際管網(wǎng)，采用美國BioSurface Technology公司生產(chǎn)的BAR 1320 LJ在水廠取水泵站搭建了小型模擬輸水管網(wǎng)(見圖1).管道材料為鑄鐵.管網(wǎng)進(jìn)水為某江水，水質(zhì)參數(shù)見表1.水通過蠕動泵提升進(jìn)入模擬管網(wǎng)，依靠蠕動泵控制進(jìn)水速度，從而控制原水在管網(wǎng)內(nèi)的停留時間(4 h).調(diào)節(jié)BAR反應(yīng)器轉(zhuǎn)速(50 r/min)調(diào)整水流與管壁的剪切力(0.25 N/m2).通過曝氣泵調(diào)節(jié)水箱內(nèi)的溶解氧(0.8，1.9，2.9，4.1，4.9，5.9和7.1 mg/L).每個工況運行6個月，管網(wǎng)生物膜趨于成熟，對應(yīng)的生物膜編號為B1—B7.為保證實驗條件一致，7臺反應(yīng)器并聯(lián)操作.

圖1　模擬管網(wǎng)流程

水溫/℃pH溶解氧/(mg·L-1)濁度/NTU總硬度/(mg·L-1)化學(xué)需氧量CODMn/(mg·L-1)5d生化需氧量/(mg·L-1)24.0～28.06.8～7.00.8～1.016.4～18.169.8～74.114～152.4～2.8氨氮(以N計)/(mg·L-1)總磷/(mg·L-1)總氮/(mg·L-1)銅/(mg·L-1)鋅/(mg·L-1)氟化物/(mg·L-1)硒/(mg·L-1)2.0～2.10.07～0.093.40～0.0040.008～0.0100.1～0.15<0.001砷/(mg·L-1)汞/(mg·L-1)鎘/(mg·L-1)鉻(六價)/(mg·L-1)鉛/(mg·L-1)氰化物/(mg·L-1)揮發(fā)性酚類(以苯酚計)/(mg·L-1)0～0.002<0.00005<0.001<0.004<0.001<0.002<0.002石油類/(mg·L-1)陰離子合成洗滌劑/(mg·L-1)硫化物/(mg·L-1)硫酸鹽/(mg·L-1)氯化物/(mg·L-1)鐵/(mg·L-1)錳/(mg·L-1)<0.05<0.040～0.019.77.3～9.20.099～0.1100.019～0.024

1.2分析方法

1.2.1水質(zhì)的測定

參照文獻(xiàn)[9]對pH、濁度、溶解氧(DO)、CODMn、“三氮”、總氮以及總鐵等指標(biāo)進(jìn)行檢測.

1.2.2生物膜微生物數(shù)量的測定

鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌的檢測采用文獻(xiàn)[10]方法；氨氧化菌采用MPN-Griess法(最大可能數(shù)法-Griess試劑檢測法)[11].

1.2.3微生物多樣性

采用454-高通量測序的方法解析微生物種群結(jié)構(gòu).通過OMEGA E.Z.N.A DNA試劑盒抽提生物膜微生物基因組，采用細(xì)菌16S rRNA常用引物(8F: 5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’；533R:5’-TTACCGCGGCTGCTGGCAC-3’)通過PCR反應(yīng)進(jìn)行擴增實驗(反應(yīng)參數(shù)為：95 ℃ 2 min; 25 循環(huán): 95 ℃ 30 s, 55 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s; 72 ℃ 5 min;10 ℃保溫).使用1%瓊脂糖電泳檢測PCR產(chǎn)物并定量，取適量PCR產(chǎn)物進(jìn)一步油包水PCR(EmPCR)擴增，用 Roche Genome Sequencer FLX 系統(tǒng)測序.為后續(xù)測序分析區(qū)分樣品，需連接特定標(biāo)簽序列，所得原始序列進(jìn)一步優(yōu)化和聚類，通過mothur軟件分析樣品的多樣性和群落結(jié)構(gòu).

2結(jié)果與分析

2.1水質(zhì)變化

2.1.1溶解氧對出水濁度的影響

管網(wǎng)水濁度的改變主要是由微污染物的降解、生物膜脫落、管道腐蝕和鐵釋放引起的.溶解氧影響生物膜的交聯(lián)度、生物膜與管壁的結(jié)合能力、管壁的腐蝕速率及鐵的溶出，從而影響出水濁度.不同溶解氧質(zhì)量濃度下，出水濁度的變化如圖2 所示.可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的提高，出水濁度呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢.溶解氧為1.9 mg/L時，濁度最高，為27.7 NTU，溶解氧為5.9 mg/L時，濁度最低，為18.4 NTU.這或許是因為高溶解氧條件下，生物膜交聯(lián)度高，阻礙了鐵管進(jìn)一步腐蝕和鐵的釋放，出水濁度降低；而低溶解氧條件下，生物膜松動，管壁腐蝕加劇，鐵釋放量大，導(dǎo)致出水濁度升高.另外，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的提高，微生物數(shù)量增加，代謝能力增強，水中的微污染物被生物膜中微生物的生長所消耗，出水的濁度降低；溶解氧達(dá)5.9 mg/L以上時，出水濁度呈現(xiàn)上升趨勢，這或許是因為隨著溶解氧的升高，外部微生物生長繁殖較快，生物膜厚度增加，內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)較少，生物膜會無規(guī)則地出現(xiàn)老化現(xiàn)象，易脫落到水中而影響出水濁度.因此，即使溶解氧質(zhì)量濃度較高時，出水濁度也會突然升高.

圖2　溶解氧對BAR出水濁度的影響

2.1.2溶解氧對管道腐蝕的影響

目前以鑄鐵和鋼管為主的鐵質(zhì)管材在給水管網(wǎng)中仍普遍存在，這類管材與水接觸不可避免地會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，大多數(shù)輸水管網(wǎng)都會在管壁表面形成鐵腐蝕產(chǎn)物，腐蝕管垢的存在會限制輸水能力，還會導(dǎo)致鐵的溶出，惡化水質(zhì)，溶解氧作為氧化劑參與管道腐蝕，并對鐵的溶出有重要影響.圖3反映了溶解氧對鐵溶出的影響.可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，出水總鐵質(zhì)量濃度下降，由1.28 mg/L下降到0.37 mg/L，由此推斷，水體中的溶解氧對管道腐蝕、鐵釋放均有較大影響.水體中溶解氧質(zhì)量濃度較高時，氧分子作為電子受體參與管道腐蝕反應(yīng)，其將Fe(II)氧化為Fe(III)、Fe(OH)3等三價鐵的化合物并附著沉積在管壁，新生成的三價鐵的化合物會進(jìn)一步與水體及管垢反應(yīng)，生成更為穩(wěn)定的 Fe3O4、FeOOH 等物質(zhì)，從而形成穩(wěn)定致密的氧化膜，防止管道的進(jìn)一步腐蝕，管垢內(nèi)表層的腐蝕產(chǎn)物不易釋放[12].管網(wǎng)內(nèi)釋放的鐵主要是由金屬鐵的腐蝕產(chǎn)物中亞鐵離子( Fe2+) 和亞鐵組分的溶解造成的，當(dāng)水體中溶解氧質(zhì)量濃度較低時，F(xiàn)eOOH 會代替氧氣作為電子受體，與管道中的鐵發(fā)生反應(yīng)，生成易溶的亞鐵物質(zhì)[13]，增加出水總鐵質(zhì)量濃度.另外，生物膜的存在也能減少傳遞到管壁的氧，從而抑制管壁的腐蝕.魯智禮等[14]通過管網(wǎng)中試模擬系統(tǒng)研究了溶解氧對管網(wǎng)鐵釋放的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水溶解氧質(zhì)量濃度由8 mg /L 增加到15 mg /L 時，實驗系統(tǒng)的鐵釋放均有明顯的降低.

圖3　溶解氧對反應(yīng)器出水總鐵的影響

Fig.3Effect of dissolved oxygen on BAR effluent total iron concentration

2.1.3溶解氧對出水CODMn的影響

溶解氧能夠氧化有機物而影響出水的CODMn.不同溶解氧條件下，出水CODMn的變化見圖4所示.

圖4　溶解氧對反應(yīng)器出水CODMn的影響

由圖4可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的增加，出水CODMn變化較小，基本保持在10.1～13.8 mg/L.這是因為出水CODMn的變化受生物膜中微生物的降解以及老化生物膜脫落的影響，一方面增加溶解氧質(zhì)量濃度，掛片生物膜的微生物代謝能力增強，CODMn不斷被降解消耗導(dǎo)致質(zhì)量濃度降低；另一方面管壁生物膜是一個復(fù)雜的、動態(tài)變化的微生物生存環(huán)境，它的形成包括“營養(yǎng)物質(zhì)及微生物的吸附—生物膜的形成—生物膜的生長—生物膜的老化—生物膜的脫落”這樣周而復(fù)始的循環(huán)[15]，當(dāng)生物膜生長到一定程度，膜深處的微生物由于營養(yǎng)物質(zhì)及溶解氧缺乏而死亡，生物膜交聯(lián)度降低而引起脫落，導(dǎo)致出水的CODMn略有增加，總體上看，當(dāng)進(jìn)水CODMn較低時，溶解氧對CODMn的去除率影響較小.

2.1.4溶解氧對出水氮素的影響

傳統(tǒng)的生物脫氮主要是通過氨化/硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)實現(xiàn).硝化反應(yīng)是在好氧條件下，以氧作為電子受體將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的過程，反硝化反應(yīng)是在厭氧條件下硝酸氮轉(zhuǎn)化為氮氣而去除.因此，溶解氧是生物脫氮較受關(guān)注的指標(biāo)之一.溶解氧對出水氮素質(zhì)量濃度的影響見圖5.可以看出，當(dāng)溶解氧在0.8 mg/L以下時，氨氮去除率較低，出水氨氮質(zhì)量濃度在1.9 mg/L左右，去除率僅為7%，亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度最高，硝酸鹽氮和總氮質(zhì)量濃度略有下降.說明有反硝化作用產(chǎn)生，但不徹底，存在一定量亞硝酸鹽氮的積累，同時，較低的溶解氧抑制了管道內(nèi)的硝化作用；隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，氨氮去除率逐漸升高，當(dāng)溶解氧超過4.1 mg/L時，氨氮去除率達(dá)27%以上，亞硝酸鹽氮低于進(jìn)水質(zhì)量濃度，為0.16 mg/L，硝酸鹽氮質(zhì)量濃度逐漸升高，硝化作用占較大優(yōu)勢，而總氮質(zhì)量濃度忽高忽低.這或許是由于微生物在溶解氧充足的條件下，為滿足自身的生長需要消耗一定量的氮源，導(dǎo)致出水總氮質(zhì)量濃度降低，而當(dāng)微生物生長進(jìn)入衰亡期，老化生物膜脫落，反而增加了水中有機氮質(zhì)量濃度，造成出水總氮質(zhì)量濃度升高.Helmer 等[16]的研究也證實，以氨氮為唯一氮源，反應(yīng)器厭氧時，氨氮幾乎不會發(fā)生轉(zhuǎn)化；溶解氧超過5 mg/L時，氨氮易轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮.另外，參與硝化作用的亞硝化菌與硝化菌屬于專性好氧自養(yǎng)菌，依靠氨氮和亞硝氮的氧化獲得能量才能生長，也需要氧分子作為呼吸鏈的最終電子受體.李紹峰等[17]在研究溶解氧對膜生物反應(yīng)器同步硝化反硝化影響時獲得了同樣的規(guī)律，可以通過提高溶解氧加快硝化效率.

圖5　溶解氧對反應(yīng)器出水氮的影響

2.2生物膜微生物數(shù)量變化

2.2.1生物膜鐵細(xì)菌數(shù)量的變化

鐵細(xì)菌能將溶解于微污染原水中的氫氧化亞鐵、碳酸鐵氧化成高鐵沉淀附著到管壁，形成銹層或銹瘤.有研究表明[18]，在溶解氧質(zhì)量濃度較低(0.1～0.2 mg/L)時，鐵細(xì)菌生長良好，當(dāng)質(zhì)量濃度較高(大于2.75 mg/L)時，鐵細(xì)菌的生長受到抑制，從而抑制了管道的腐蝕.文獻(xiàn)[19]指出，鐵細(xì)菌是好氧型自養(yǎng)菌,依靠鐵和氧生長繁殖，溶解氧的存在能夠為鐵細(xì)菌的生長提供有利的條件.本實驗考察了密閉生物反應(yīng)器內(nèi)溶解氧對生物膜鐵細(xì)菌數(shù)量的影響，結(jié)果見圖6.可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，生物膜中的鐵細(xì)菌數(shù)量呈下降趨勢，當(dāng)溶解氧超過2.9 mg/L時，鐵細(xì)菌的數(shù)量低于200 MPN/mL.本研究結(jié)果證實，溶解氧對鐵細(xì)菌的生長有一定的抑制作用：一方面是高溶解氧降低了管壁鐵的溶出，鐵細(xì)菌缺少營養(yǎng)基質(zhì)，從而抑制了鐵細(xì)菌的增殖；另一方面是由于鐵細(xì)菌分布在掛片表面，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，生物膜厚度增加，阻礙了溶解氧的傳遞，從而抑制了鐵細(xì)菌的生長.

圖6　溶解氧對生物膜中鐵細(xì)菌的影響

2.2.2生物膜硫酸鹽還原菌(SRB)的變化

硫酸鹽還原菌是一種生長在管壁銹垢和沉淀物內(nèi)部，能夠利用有機物為碳源,利用生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫，將硫酸鹽還原成硫化氫的厭氧菌[20].在輸水管網(wǎng)微污染原水輸送過程中，管道內(nèi)溶解氧降低，水中的微污染物及微生物也會在管壁形成粘泥及污垢，為硫酸鹽還原菌的生長繁殖創(chuàng)造有利條件.生物膜硫酸鹽還原菌隨溶解氧的變化見圖7.可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，生物膜中SRB的數(shù)量呈下降趨勢.特別是當(dāng)溶解氧高于2.9 mg/L以后，硫酸鹽還原菌的數(shù)量低于20 MPN/mL.硫酸鹽還原菌是一類生長在在銹垢和沉淀物內(nèi)部厭氧環(huán)境下，以有機物作為電子供給體，以硫酸鹽作為末端電子接受體，將硫酸根還原成硫離子的細(xì)菌，當(dāng)溶液中的溶解氧質(zhì)量濃度低于2.5 mg/L 時，SRB 就能快速繁殖[21].由此推斷，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度超過3 mg/L時，溶解氧成了掛片SRB生長的限制性因素，抑制硫酸還原菌的生長，同時減緩管道腐蝕.

圖7　溶解氧對生物膜中硫酸鹽還原菌的影響

2.2.3生物膜硝化細(xì)菌的變化

硝化細(xì)菌是一類能降解氨和亞硝酸鹽的自養(yǎng)型細(xì)菌,氨氮和亞硝酸鹽是其生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，它們通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，每毫克氮素經(jīng)過整個硝化作用途徑后，最大需要4.5 mg溶解氧來“清除”含氮物質(zhì)釋放的電子；另外，硝化細(xì)菌均為專性好氧菌，其正常生長代謝都需要氧的參與，O2是最終的電子受體.生物膜硝化細(xì)菌隨溶解氧的變化見圖8.可以看出，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，生物膜中硝化細(xì)菌的數(shù)量呈上升趨勢.當(dāng)溶解氧超過4.1 mg/L時，生物膜中硝化細(xì)菌數(shù)量大幅度增加.有研究表明，為確保硝化作用進(jìn)行徹底，反應(yīng)體系溶解氧盡量控制在2.0 mg/L以上，低于 0.5 mg/L硝化作用明顯減弱[22].因此，可以通過提高管道內(nèi)的溶解氧質(zhì)量濃度，發(fā)揮管壁生物膜硝化細(xì)菌硝化作用，降低密閉管道水質(zhì)惡化風(fēng)險.

圖8　溶解氧對生物膜中硝化細(xì)菌的影響

2.3生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)變化

微生物在生物膜法處理污染物中起決定性作用，其種群的多樣性及豐度很大程度上影響處理效果.同時，微生物群落結(jié)構(gòu)分析能夠揭示環(huán)境因素對微生物生態(tài)分布的作用，從機制上分析生物膜對出水水質(zhì)的影響.

生物膜454測序收獲62 904個有效序列，優(yōu)化后得到 48 016 個序列.將這些序列進(jìn)行聚類分析，得到2 240 OTUs(operational taxonomic units).在門和科的水平上，對所有序列進(jìn)行OTU劃分，結(jié)果見圖9.由圖9(a)可以看出，不同溶解氧條件下BAR掛片生物膜中微生物多樣性較為豐富，各樣品微生物的多樣性及豐度存在較大差異.在門的水平，變形菌門 (Proteobacteria)是除樣品B1，B2之外，其他生物膜的優(yōu)勢菌群，厚壁菌門(Firmicutes)是B1，B2的優(yōu)勢菌群；變形菌門 (Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)以不同的豐度分散在各個樣品中，硝化螺旋菌門(Nitrospirae)的豐度增加.變形菌門 (Proteobacteria)是細(xì)菌中最大的一門，其豐度在各個樣品中相對較高；厚壁菌門(Firmicutes)多數(shù)為革蘭氏陽性菌，可以產(chǎn)生內(nèi)生孢子，具有極強的抵抗極端環(huán)境能力，營厭氧、兼性或好氧生活，因此，在較低溶解氧條件具有較高豐度；硝化螺旋菌門(Nitrospirae)為好氧菌，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的提高，其豐度相對增加，而其他門類均是水中普遍存在的微生物， 豐度較高.如圖9(b)，在科的水平上，所有樣品的優(yōu)勢菌群均為假單胞菌科(Pseudomonadaceae)，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的提高，腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的豐度降低，硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)和亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae) 的豐度增加.這主要是因為腸桿菌為兼性厭氧菌，在營養(yǎng)物質(zhì)一定的條件下，低溶解氧有利于其生長；硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)和亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae)是好氧菌[21]，溶解氧成為其生長及進(jìn)行硝化作用的動力.由此可以推斷，溶解氧對輸水管壁生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)有重要影響.

圖9　溶解氧對生物膜中微生物豐度和多樣性的影響

3結(jié)論

1)溶解氧的改變，對出水濁度、總鐵的溶出以及氨氮去除均產(chǎn)生較大影響，對總氮和CODMn有一定的去除效果，但隨著溶解氧質(zhì)量濃度升高，去除效果并沒大幅度升高；而溶解氧對NH4+-N去除效果有很大影響，溶解氧在3.0 mg/L 以下時，出水的去除率低于20%，隨著溶解氧的提高，最高可達(dá)43%.溶解氧極大影響出水總鐵的質(zhì)量濃度及生物膜微生物數(shù)量，隨著溶解氧的提高，出水總鐵質(zhì)量濃度降低；掛片生物膜的鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌數(shù)量減少，硝化細(xì)菌數(shù)量增加.

2)454-高通量測序?qū)炱锬の⑸锒鄻有约柏S度分析表明：在門的水平上，變形菌門菌群所占比重最大，其次是厚壁菌門，隨著溶解氧的提高，硝化螺旋菌門豐度升高；在科的水平上，優(yōu)勢菌群均為假單胞菌科(Pseudomonadaceae)，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的提高，腸桿菌門(Enterobacteriaceae)的豐度降低，硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)和亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae) 的豐度增加，這與反應(yīng)器較好的硝化作用相一致.

3)改變管道溶解氧能夠提高管壁生物膜的凈水作用，同時減緩管道管壁腐蝕，大大提高了輸水安全性.

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(編輯劉彤)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.004

收稿日期:2015-06-11

基金項目:國家自然科學(xué)基金(21301041)；科技部科技惠民項目(2013GS370202-003)；“十二五”水專項(2012ZX07404-003-004)；哈爾濱市科技局優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項目(2013RFXXJ054)

作者簡介:雒江菡(1980—)，女，博士研究生； 李圭白(1931—)，男，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士;

通信作者:梁恒，hitliangheng@163.com

中圖分類號:X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)08-0024-07

Effect of dissolved oxygen concentration on pipeline biofilm microbial community structure and effluent water quality

LUO Jianghan1, JIA Ruibao2,YU Ruihong3, YAN Lijun4, LI Guibai1,LIANG Heng1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China;2. Jinan Water Supply and Drainage Monitoring Center, Jinan 250000, China;3. Heilongjiang Vocational College of Biology Science and Technology, Harbin 150025, China; 4. Institute of Cell and Molecular Biology, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

Abstract:To improve the safety of distributing raw water, a BAR(Biofilm Annular Reactor)was constructed to simulate the distribution system and the effect of dissolved oxygen (DO) concentration on the effluent water quality and biofilm was studied. The 454-pyrosequencing technology was employed to analyze the diversity of biofilm in the reactor. Experimental results showed that the turbidity and the concentration of total iron, ammonia nitrogen decreased obviously with DO concentration increasing, while the concentrations of total nitrogen and CODMnchanged slightly. The numbers of iron bacteria and sulfate-reducing bacteria reduced significantly, while the richness and diversity of the biofilm related bacteria (such as nitrifying bacteria) improved. So, increasing DO concentration can alleviate the pipeline corrosion and develop biofilm purifying water role.

Keywords:raw water; dissolved oxygen; biofilm; 454-pyrosequencing; microbial community structure

梁恒(1979—)，男，教授，博士生導(dǎo)師