滯流工況下管網(wǎng)水中微生物群落對(duì)鐵釋放的影響

葉 萍 ,申屠華斌 ,陳環(huán)宇 ,李杭加 ,徐 兵 ,張逸夫 ,王 磊,柳景青 *＞(.嘉興市嘉源給排水有限公司,浙江 嘉興 3000；.浙江大學(xué)土木工程學(xué)系,浙江 杭州 3008；3.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 00063；.浙江大學(xué)濱海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,天津 30030；.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 300)

目前,我國(guó)城鄉(xiāng)供水統(tǒng)籌基本實(shí)現(xiàn)一體化,位于城市供水管網(wǎng)末梢的供水管道中,由于用戶間接性用水的特點(diǎn),管網(wǎng)水處于滯流狀態(tài)的現(xiàn)象十分普遍,滯流時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá) 12～24h[1-3].滯流工況下,管網(wǎng)水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間變化,如溶解氧、余氯、濁度等化學(xué)指標(biāo),同時(shí)與腐蝕有關(guān)的細(xì)菌總數(shù)將急劇增加,導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)和含量改變[4-7].這些變化會(huì)加劇管道鐵釋放,嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)“黃水”問(wèn)題[8-9].引發(fā)供水管道“黃水”現(xiàn)象的原因有很多,管網(wǎng)水在滯流狀態(tài)下溶解氧濃度快速衰減[10-12],具有氧化和殺菌作用的余氯濃度的衰減,是導(dǎo)致鐵釋放加劇的重要原因.這些研究主要是圍繞水體化學(xué)參數(shù)指標(biāo)對(duì)鐵釋放的影響展開.近年研究表明,供水管道中某些微生物群落自身的生命活動(dòng)是誘發(fā)水質(zhì)變差的主要原因

[9,13-14].某些微生物群落影響供水管道腐蝕,進(jìn)而影響了鐵釋放[15-17],主要包括鐵氧化細(xì)菌(IOB)、硫酸鹽還原菌(SRB)、硫氧化菌(SOB)、反硝化細(xì)菌(NRB)、鐵還原菌(IRB)等.例如,鐵氧化細(xì)菌(IOB)能夠代謝還原性鐵,以Fe(OH)3懸浮顆粒的形態(tài)在水體或者存在于分泌液中,這將造成管網(wǎng)出現(xiàn)“黃水”現(xiàn)象[18-20].硫酸鹽還原菌(SRB)是一種厭氧菌,SRB主要包括脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)和脫硫腸狀菌屬(Desulgotomaculum)2個(gè)菌屬.SRB以有機(jī)物作為電子供體,用硫酸鹽作為末端電子接受體,能夠?qū)⒘蛩岣€原成硫離子獲得能量,并通過(guò)消耗氫而使金屬表面陰極去極化,加速管道的電化學(xué)腐蝕,同時(shí)產(chǎn)生的 H2S被氧化成硫酸會(huì)對(duì)管道局部造成嚴(yán)重的點(diǎn)位腐蝕[21-22],是造成嚴(yán)重鐵釋放的重要原因.當(dāng) SRB和 IOB共存的時(shí)候,管道腐蝕速率是電化學(xué)的情況下的300倍以上[23].

目前已有研究存在以下不足：1)實(shí)驗(yàn)條件的局限：多為實(shí)驗(yàn)室小試或管段實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)運(yùn)行工況與實(shí)際的管道運(yùn)行,存在一定差異;2)實(shí)驗(yàn)管材的局限：研究的管道是以鍍鋅管、鋼管等易腐蝕等研究為主,而目前實(shí)際管網(wǎng)中比例較高的耐腐蝕球墨鑄鐵管、高密度聚乙烯管(HDPE)和內(nèi)襯球墨鑄鐵管也同樣存在著鐵釋放現(xiàn)象;3)研究分析的局限：在滯流工況下水中總鐵濃度、微生物群落數(shù)量及其結(jié)構(gòu)、水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)三者之間的關(guān)聯(lián)性的研究有待進(jìn)一步的深入.針對(duì)這些不足,本研究依托搭載于實(shí)際供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的中試試驗(yàn)平臺(tái),探究不同供水管道滯流過(guò)程中細(xì)菌數(shù)量和微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)鐵釋放影響作用.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

中試試驗(yàn)平臺(tái)搭載于中國(guó)東部某市供水管網(wǎng)末端(圖1),由4條管線組成,管道管材分別為高密度聚乙烯管(HDPE)和球墨鑄鐵管(DCIP),管徑為DN100和DN200,每節(jié)管段長(zhǎng)1.0m,每條管線由10節(jié)管段組成.

該中試平臺(tái)與實(shí)際市政管網(wǎng)相連接,管網(wǎng)水處于非循環(huán)運(yùn)行,試驗(yàn)平臺(tái)兩端均設(shè)置流量可開閉手動(dòng)閥門,以實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際管網(wǎng)滯流工況下的狀態(tài).分別采用DN100和DN200的球墨鑄鐵管(DCIP)和高密度聚乙烯管(HDPE)4組供水管道的水體作為滯流實(shí)驗(yàn)對(duì)象,4條管線上均平行設(shè)有水樣采集口.在開始實(shí)驗(yàn)時(shí),緩慢關(guān)閉管道兩端的閥門以保證管道內(nèi)生物膜穩(wěn)定,在關(guān)閉閥門后使水體滯流48h.

圖1 管網(wǎng)中試平臺(tái)平面示意Fig.1 Pilot system researched water supply pipelines

1.2 水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)

水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)見(jiàn)表1.

表1 檢測(cè)參數(shù)和方法Table 1 Water parameters and measurement instrument

1.3 滯流水樣的采集

滯流實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：(1)緩慢關(guān)閉中試平臺(tái)進(jìn)水閥門,使中試裝置管線處于滯流工況,滯流總時(shí)長(zhǎng) 48h;(2)分別在滯流 0,4,8,16,24,32,40,48h的時(shí)間點(diǎn)采集水樣,采樣前用酒精棉球消毒采樣口,放水 3s之后,用無(wú)菌藍(lán)蓋瓶收集滯流水樣,一部分水樣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)常規(guī)理化水質(zhì)指標(biāo),另一部分保存于 4℃的移動(dòng)冰箱,實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)指標(biāo)的檢測(cè).

1.4 DNA的提取

將采集的水樣樣品用 Power Soil DNA Kit(Mo bio laboratories,carlsbad,CA) 進(jìn)行基因組DNA 抽提,具體操作按照說(shuō)明書.提取的基因組DNA 采用 1.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),再將其置于-20℃的冰箱冷藏,以用于后續(xù)的檢測(cè).

1.5 Illumina高通量測(cè)序

(4)社會(huì)環(huán)境導(dǎo)致了大學(xué)生獲取創(chuàng)業(yè)知識(shí)的外部障礙。近年來(lái)參加公務(wù)員考試的人次之多，父母希望大學(xué)生考公務(wù)員，社會(huì)上形成了熱衷公務(wù)員之風(fēng)，因此大學(xué)生對(duì)創(chuàng)業(yè)的勁頭不足，對(duì)創(chuàng)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，甚至很多學(xué)生主動(dòng)參加社會(huì)實(shí)踐，開展創(chuàng)業(yè)，到企業(yè)實(shí)習(xí)兼職都會(huì)被其他同學(xué)、家長(zhǎng)與輔導(dǎo)員認(rèn)為是耽誤學(xué)習(xí)。社會(huì)環(huán)境方面，沒(méi)有給大學(xué)生學(xué)習(xí)獲取創(chuàng)業(yè)知識(shí)提供一個(gè)寬容、寬松的氛圍，反而設(shè)置了一些障礙。

提取的樣品DNA送往上海派森諾有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序,采用Illumina測(cè)序儀測(cè)序.獲得原始數(shù)據(jù)后,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制(序列長(zhǎng)度200～1000個(gè)堿基對(duì),連續(xù)相同堿基對(duì)N＜6;模糊堿基 N＜1,Q＜25)獲得最終用于分析的序列,然后應(yīng)用 QIME軟件,根據(jù)序列相似度將序列歸為多個(gè)操作單元格(Operational Taxonomic Unit,OTU)[24],根據(jù)OUT列表中的各個(gè)樣品物種豐富度情況應(yīng)用軟件mothur[25]進(jìn)行操作.

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

采用 Origin(version 9.0)和 IBM SPSS(version20.0)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)樣本的統(tǒng)計(jì)學(xué)方差,顯著性差異假定 P=0.05.采用 Canoco for windows進(jìn)行環(huán)境影響因子分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 滯流工況不同供水管道水體微生物群落結(jié)構(gòu)

取每條管線滯流0,4,48h共計(jì)12個(gè)水樣進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析,在門水平上,共檢測(cè)出 10種微生物門.其中變形菌門(Proteobacteria)在所有樣品微生物群落結(jié)構(gòu)中均占據(jù)主導(dǎo)地位,在 0時(shí)刻 4條管線水體中相對(duì)豐度約為 30%～60%,在滯流 48h后增大到 86.69%～91.36%.同時(shí)還檢測(cè)到酸桿菌門(Acidobacteria)約為2.63%～6.55%,擬桿菌門(Bacteroidetes)約為 2.19%～5.24%,厚壁菌門(Firmicutes)約為 1.25%～21.98%、放線菌門(Actinobacteria)約為 4.61%～19.36%,綠灣菌門(Chloroflexi)約為 1.33%～7.69%,硝化螺旋菌門(Nitrospirae)約為 1.06%～3.29%,芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)約為 1.24%～3.64%.管網(wǎng)水滯流0h時(shí)刻,2種管材管道水體微生物結(jié)構(gòu)差別明顯.以厚壁菌門(Firmicutes)為例,球墨鑄鐵管初始細(xì)菌相對(duì)豐度為21.98%,水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管相對(duì)豐度為12.64%,而在DN100和DN200的 HDPE管道水體細(xì)菌相對(duì)豐度分別為 0.73%和1.25%.當(dāng)水體滯流48h后,這些細(xì)菌相對(duì)豐度含量有所下降.同樣以厚壁菌門(Firmicutes)為例,球墨鑄鐵管道水體中的含量減少至 0.11%,水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管減少至 0.974%,而 2組HDPE管分別減少至0.27%和0.68%.而且球墨鑄鐵管材水體中的厚壁菌門(Firmicutes)減少量要大于HDPE管道.

在綱水平上,a-變形菌綱(Alphaproteobacteria) 、 β- 變 形 菌 綱(Betaproteobacteria)和放線菌綱(Actinobacteria)含量較高,相對(duì)豐度在 50%以上.對(duì)于 a-變形菌綱(Alphaproteobacteria)而言, 4組管道水體細(xì)菌含量都是隨滯流時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加,2組HDPE管道細(xì)菌相對(duì)豐度增幅分別為30.72%和22.87%,球墨鑄鐵管和水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管的細(xì)菌相對(duì)豐度增幅分別為 37.08%和26.15%.與之相反,放線菌綱(Actinobacteria),在4組管道中均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),HDPE管道分別從初始時(shí)刻的 16.92%和 10.12%下降到 4.63%和6.44%,而球墨鑄鐵管和水泥砂漿球墨鑄鐵管則分別從14.42%和9.46%下降到2.23%和4.67%.不同細(xì)菌在水體滯流過(guò)程中含量會(huì)發(fā)生變化,其增加或者減少的趨勢(shì)與管道屬性并不存在關(guān)聯(lián)性.

圖2 水樣中微生物群落結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Bacterial community of water samples

2.2 滯流工況不同供水管道水體總鐵與腐蝕細(xì)菌的相關(guān)性

圖3顯示,在滯流工況下,4組管道管網(wǎng)水的總鐵濃度隨滯流時(shí)間增加,不斷增加.滯流開始時(shí)(0時(shí)刻),4組管道水相總鐵濃度在 0.152～0.195mg/L之間.滯流4h后,DN100的球墨鑄鐵管中總鐵濃度即超出國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn) 0.3mg/L,在滯流 48h時(shí)總鐵濃度達(dá)到 2.5mg/L.有水泥內(nèi)襯的DN200球墨鑄鐵管以及HDPE管道的管網(wǎng)水中總鐵濃度變化趨勢(shì)相似,在 8h后超標(biāo),而且在8～48h內(nèi),鐵釋放增加量基本相同.

圖3顯示,球墨鑄鐵管管網(wǎng)水中IOB和SRB數(shù)量增加量最大,涂有內(nèi)襯的球墨鑄鐵管次之,兩組HDPE管最少,這說(shuō)明管材對(duì)于細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)影響較大.

圖3 總鐵濃度隨時(shí)間變化Fig.3 The total iron concentration changes

表2 總鐵與IOB、SRB之間相關(guān)性和顯著性水平Table 2 The correlation and significance level between total iron and IOB、SRB

表2顯示,這4組管道水中總鐵濃度變化和細(xì)菌數(shù)量之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),且球墨鑄鐵管中相關(guān)性更強(qiáng),顯著性水平更高.其中,DN100球墨鑄鐵管管網(wǎng)水中總鐵與 IOB(r=0.775,P=0.01),SRB(r=0.649,P=0.05),其相關(guān)性較強(qiáng),顯著性水平較高.相比之下,HDPE管網(wǎng)水總鐵與 IOB、SRB相關(guān)性較強(qiáng),但是顯著性性水平不高.說(shuō)明球墨鑄鐵管管網(wǎng)水中細(xì)菌對(duì)總鐵釋放的影響性相較于HDPE管的要大,究其原因可能是金屬管道中與腐蝕有關(guān)的細(xì)菌更加容易生長(zhǎng),從而影響總鐵的釋放.

圖4 鐵氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原菌數(shù)量隨時(shí)間變化Fig.4 Numbers of IOB and SRB

2.3 滯流工況水體總鐵與微生物群落的相關(guān)性和RDA分析

通過(guò)分析計(jì)算相關(guān)系數(shù)和進(jìn)行 RDA分析,在門水平上,總鐵與 Proteobacteria(r=0.701,P=0.011)、Actinobacteria(r=0.571,P=0.052)、Acidobacteria(r=0.664,P=0.019)呈正相關(guān)關(guān)系,顯著性較強(qiáng),同時(shí)也與一些細(xì)菌存在正相關(guān)如Cyanobacteria(r=0.461,P=0.132),Gemmatimonade tes(r=0.396,P=0.203)等.同時(shí)圖5a中,與總鐵成鈍角的細(xì)菌,對(duì)鐵釋放會(huì)起到一定的抑制作用.通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析表明 Bacteroidetes(r=-0.576,P=0.05)以及 Chloroflexi(r=-0.622,P=0.031)與總鐵之間相關(guān)性較強(qiáng),顯著性水平較高.

在綱水平上,同樣得出與總鐵存在正負(fù)相關(guān)性的細(xì)菌(圖5b),總鐵與 Alphaproteobacteria(r=0.801,P=0.002),Betaproteobacteria(r=0.672,P=0.05),Bacilli(r=0.513,P=0.098),存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,而與 Acidobacteria(r=0.308,P=0.331)僅存在正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不強(qiáng).與 Actinobacteria(r=-0.774,P=0.003),Gammaproteobacteria(r=-0.7 43,P=0.006)存在顯著相關(guān)性 ,而與 Clostridia(r=-0.332,P=-0.292)呈正相關(guān)性.

總之,綱水平上的 Alphaproteobacteria、Betaprotebacteria和 Bacilli,以及門水平上Proteobacteria、Actinobacteria和 Acidobacteria對(duì)鐵釋放起到促進(jìn)作用.深入研究影響這些微生物群落生長(zhǎng)的環(huán)境因素,控制其生長(zhǎng)將會(huì)有效降低滯流時(shí)管網(wǎng)水的鐵釋放.

圖5 微生物群落與總鐵指標(biāo)之間的RDA分析Fig.5 Redundancy analysis (RDA) of bacteria community with total iron

3 結(jié)論

3.1 不同管材管道中,管網(wǎng)水在滯流過(guò)程中,其微生物群落分布：在門水平上主要以變形菌門(Proteobacteria)為主,占 86.69%～91.36%;在綱水平上,a-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)和放線菌綱(Actinobacteria)含量較高,占細(xì)菌總量的50%以上.且這些主要菌種相對(duì)豐度均隨滯流時(shí)間而增加.

3.2 總鐵濃度與鐵氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原菌存在較強(qiáng)的相關(guān)性,且墨鑄鐵管管網(wǎng)水中細(xì)菌對(duì)總鐵釋放的影響性相較于HDPE管的要大.

3.3 相關(guān)性系數(shù)分析和RDA分析表明,門水平上 Proteobacteria、Actinobacteria和 Acidobacteria以及綱水平上的 Alphaproteobacteria、Betaprotebacteria和 Bacilli對(duì)鐵釋放起到促進(jìn)作用.

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