市政排水管網(wǎng)水力水質(zhì)條件對(duì)底泥微生物組多樣性的影響

丁國(guó)平，陳 浩，朱 弈，孫曉楠，劉 輝，馬長(zhǎng)文，葉建鋒*

1. 上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，上海 201209

2. 上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233

3. 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620

市政重力流排水管網(wǎng)中存在著較大的碳排放現(xiàn)象，污水和雨水中大量有機(jī)物在管網(wǎng)輸送過(guò)程中被微生物降解消耗[1]，這直接導(dǎo)致了下游污水廠普遍出現(xiàn)進(jìn)水碳源不足的現(xiàn)象[2-3]. Mclellan等[4]認(rèn)為，管網(wǎng)底泥中的微生物是其碳轉(zhuǎn)化的重要執(zhí)行者，多樣的微生物利用管網(wǎng)缺氧環(huán)境對(duì)有機(jī)物進(jìn)行水解發(fā)酵、產(chǎn)甲烷、硫酸鹽還原，并完成自身菌體的繁殖生長(zhǎng)與代謝.因此，研究重力流管網(wǎng)中底泥微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律具有重要意義.

目前對(duì)城市排水系統(tǒng)底泥微生物多樣性的研究多集中于污水處理廠和河道，且其均受不同水力水質(zhì)條件的影響. 而重力流排水管網(wǎng)內(nèi)水力水質(zhì)條件的變化是否會(huì)影響底泥微生物組的多樣性，進(jìn)而影響微生物碳轉(zhuǎn)化的策略與效率，卻鮮見(jiàn)報(bào)道. 污水處理廠和河道的底泥微生物通過(guò)選擇性地消耗特定的底物，進(jìn)行不同的生長(zhǎng)和碳分配，其底物的性質(zhì)受化學(xué)因素(如pH、不同碳的來(lái)源、SO42-濃度等)影響. 另外，一些物理因素(如溫度、剪切力等)大多會(huì)通過(guò)影響有機(jī)物組成和微生物群落狀態(tài)，造成碳轉(zhuǎn)化的差異. 例如，已有研究發(fā)現(xiàn)，河流pH的變化可以引起藻細(xì)胞膜電荷的變化以及影響代謝過(guò)程中酶的活性[5]，當(dāng)pH為10時(shí)，對(duì)細(xì)菌群落產(chǎn)生更多的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)有緩沖作用[6]；Schulz等[7]研究發(fā)現(xiàn)，康斯坦斯湖底泥中溫度每升高10 ℃，細(xì)菌代謝速率將增加2~3倍，這表明溫度是影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶活性的重要因素，進(jìn)而影響微生物的生長(zhǎng)速率和微生物對(duì)基質(zhì)的代謝速率；Liu等[8]對(duì)高海拔湖泊有機(jī)物的研究發(fā)現(xiàn)，較大的剪切力有利于促進(jìn)有機(jī)物在底泥中的滲透，對(duì)碳的轉(zhuǎn)化效率有顯著的影響. 不同碳源可能會(huì)影響微生物的豐度，在污水處理廠相似的污染進(jìn)水源中，微生物群落具有相似性[9]，而不同的進(jìn)水源會(huì)影響活性污泥菌群組成和多樣性[10]. 盡管早在1992年就有少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)注意到了重力流管網(wǎng)底泥中的一些生物行為[11]，但對(duì)底泥生物的研究卻主要集中在生物作用下底泥的形成過(guò)程和管道腐蝕等方面[12-13]，很少有研究致力于不同水力水質(zhì)工況對(duì)底泥微生物多樣性變化的影響.

該研究通過(guò)控制上覆水的剪切力、溫度、SO42-、pH、外源性碳這5個(gè)水質(zhì)水力工況進(jìn)行批次試驗(yàn)，應(yīng)用微生物16S rRNA基因測(cè)序分析方法，對(duì)微生物的相對(duì)豐度、多樣性結(jié)構(gòu)和微生物組間差異顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行分析，并結(jié)合三維熒光光譜法(EEM)以及底泥COD降幅，探究不同環(huán)境因子對(duì)底泥中微生物組多樣性的影響，以期通過(guò)控制水力水質(zhì)工況減少市政重力流排水管網(wǎng)中微生物碳轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象.

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

該研究所用污水和雨水管網(wǎng)底泥分別于旱季采自上海某排水系統(tǒng)a、b管網(wǎng). 其中a管網(wǎng)為生活小區(qū)污水管支管，承接完全的生活污水. 徑流雨水采自b管網(wǎng)沿管雨水篦，為完全的路面雨水徑流. 底泥于旱季采集自c、d、e管網(wǎng). 生活污水、徑流雨水和初始底泥間隙水經(jīng)0.22 μm聚醚砜濾膜后，測(cè)定其COD、TN和SO4

2-濃度(見(jiàn)表1).

表 1 初始水樣和底泥中的指標(biāo)濃度Table 1 Index concentration in initial water sample and sediment

1.2 批次試驗(yàn)

為模擬重力流排水管道內(nèi)黑暗厭氧環(huán)境和泥液分層的環(huán)境，該研究采用文獻(xiàn)[14]的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了直徑為140 mm、高度為210 mm反應(yīng)器(見(jiàn)圖1).該反應(yīng)器上部密封蓋設(shè)有氣體出入口、水樣采集口、溫度計(jì)和攪拌器. 試驗(yàn)前先將底泥用0.4 mm篩濾去石頭、樹(shù)枝等大型固體物，再將0.6 L底泥和2.3 L上覆水置入反應(yīng)器中. 待泥水分層后(約4 h)，用錫紙包裹住反應(yīng)器表面，模擬黑暗環(huán)境，引入氮?dú)庖员３猪斂諈捬?，并控制攪拌器轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整水力剪切力. 同時(shí)，依據(jù)底泥微生物生長(zhǎng)周期(約為6 d[15])及上海重力流排水管網(wǎng)水力停留時(shí)間(旱季為4~6 d)，設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為6 d. 最后取上覆水和泥水交互界面的上層底泥進(jìn)行16S rRNA基因測(cè)序分析.

圖 1 市政重力流排水管網(wǎng)模擬反應(yīng)器示意Fig.1 Schematic diagram of simulated reactor for municipal gravity flow drainage pipe network

為模擬不同水力水質(zhì)工況，該研究進(jìn)行批次試驗(yàn). 其中，為避免雨污水中微生物對(duì)底泥中微生物多樣性的影響，所有的雨污水樣本均通過(guò)0.22 μm聚醚砜濾膜，濾去絕大多數(shù)的微生物. 因不同碳源試驗(yàn)組的需要，分別設(shè)計(jì)以超純水、在超純水中添加葡萄糖(≥99.5%)、徑流雨水以及生活污水為上覆水的試驗(yàn)組，其超純水和葡萄糖源水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1；設(shè)計(jì)烘干污泥，以研究滅活了絕大部分微生物活性的底泥與不同碳源的上覆水在反應(yīng)后微生物的變化情況. 此外，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同的剪切力，其剪切力計(jì)算方法根據(jù)Blasius方程計(jì)算. 批次試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣本編號(hào)如表2所示.

表 2 模擬重力流排水管網(wǎng)批次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)Table 2 Batch experimental design of simulated gravity drainage pipe network

1.3 化學(xué)分析

上覆水及底泥的化學(xué)指標(biāo)包括COD、TN、SO42-.底泥的化學(xué)指標(biāo)定義為其間隙水的化學(xué)指標(biāo)，通過(guò)將底泥在8 000 r/min下離心，取上清液獲得. 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定上覆水和間隙水中TN、COD和SO42-的濃度.

結(jié)合熒光光譜(EEM)(F-7 100，日本日立公司)分析上覆水和底泥中DOM的組成. 反應(yīng)前生活污水中主要為色氨酸類有機(jī)物(λEx/λEm=270~290 nm/320~350 nm)，其多為氨基酸類、肽類及蛋白類物質(zhì)，一般為新近產(chǎn)生[16]. 徑流雨水中主要為腐殖酸及難降解腐殖酸成分(λEx/λEm≤250 nm/380 nm)，但微生物對(duì)這些成分的轉(zhuǎn)化效率并不高[17]. 因此在控制變量的條件下，通過(guò)分析底泥中類色氨酸熒光強(qiáng)度峰值的變化，判斷沉積物中的微生物對(duì)碳轉(zhuǎn)化效率的不同. 該研究底泥樣本中類色氨酸熒光強(qiáng)度峰值見(jiàn)表3.

表 3 底泥樣本中類色氨酸熒光強(qiáng)度峰值Table 3 Kurtosis value of tryptophan-like in sediment sample

1.4 微生物16S rRNA基因相對(duì)定量測(cè)序與分析方法

試驗(yàn)前取約20 mL管網(wǎng)底泥或1 L污水，污水過(guò)0.22 μm Whatman GF/F濾膜，至膜上有明顯覆蓋物后裝于離心管，-20 ℃保存(并在一周內(nèi)測(cè)定)，用于基因組DNA提取. DNA 提取采用試劑盒Fast DNA Spin Kit (MP bio)，提取后以1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè). 采用PCR儀(ABI GeneAmp?9700，Applied Biosystems，德國(guó))進(jìn)行PCR擴(kuò)增. 參照電泳初步定量結(jié)果，將PCR產(chǎn)物用QuantiFluor?-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)進(jìn)行檢測(cè)定量，IlluminaMiSeq測(cè)序后以silva123/16s_bacteria數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類學(xué)分析[18].

結(jié)合微生物的Alpha多樣性分析，利用Shannon-Wiener、Simpson、Chao 1和Coverage指數(shù)估計(jì)環(huán)境群落的物種豐度和多樣性；用微生物的Beta多樣性對(duì)底泥微生物群落間的物種多樣性進(jìn)行組間相對(duì)定量比較分析. 同時(shí)，通過(guò)Wilcox秩和檢驗(yàn)對(duì)組間微生物進(jìn)行差異顯著性分析，判斷兩樣本中微生物的分布是否存在差異，并通過(guò)P值判斷其顯著性.

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物Alpha和Beta多樣性分析

該研究基于OTU水平，進(jìn)行Alpha多樣性分析，繪出Shannon-Wiener曲線〔見(jiàn)圖2(a)〕，曲線坡度隨測(cè)序深度增加趨于平坦，測(cè)序數(shù)量足夠大，可反映測(cè)序樣本微生物種群多樣性的真實(shí)情況. 在16S rRNA測(cè)序中共得到651 958條有效序列和28 516個(gè)OTUs數(shù). OTUs數(shù)以及物種多樣性如表4所示.

表 4 細(xì)菌多樣性指數(shù)分析Table 4 Bacterial diversity index analysis

圖 2 初始底泥微生物的Alpha和Beta多樣性分析Fig.2 Analysis of Alpha and Beta diversity of microorganisms in initial sediment

根據(jù)OTUs數(shù)以及物種多樣性(見(jiàn)表4)可知：不同外源性碳組中，A1_EU微生物群落相對(duì)豐度和多樣性較反應(yīng)前降低；A2_EU微生物群落相對(duì)豐度和多樣性相對(duì)A1_EU增大；A3_EU微生物群落多樣性低于A4_EU. 此外，B4_EU微生物群落相對(duì)豐度和群落多樣性均低于B5_EU. 剪切力組中，B1_EU微生物群落多樣性略低于B5_EU，且B1_EU微生物群落相對(duì)豐度更為明顯較低. 溫度組中，B2_EU和B5_EU微生物群落多樣性相似，但B2_EU微生物群落相對(duì)豐度較低. pH組中，B3_EU微生物群落多樣性略低于B5_EU，但B3_EU微生物群落相對(duì)豐度顯著較低.SO42-組中，C2_EU微生物群落多樣性和相對(duì)豐度與C1_EU相似，但上覆水中C2_ES微生物群落多樣性和相對(duì)豐度遠(yuǎn)低于C1_ES.

通過(guò)Beta多樣性分析可知，底泥1#、2#、3#〔見(jiàn)圖2(b)〕微生物在門(mén)水平上的優(yōu)勢(shì)種主要為Proteobacteria (變 形 菌 門(mén)，占 比 為29% ~ 37%)、Bacteroidetes (擬 桿 菌 門(mén)，占 比 為24% ~ 39%)、Chloroflexi (綠 彎 菌 門(mén)，占 比 為28% ~ 41%)、Firmicutes (厚壁菌門(mén)，占比為26% ~ 38%)等. 其中，Proteobacteria、Bacteroidetes及Firmicutes作為管網(wǎng)底泥在門(mén)水平上的優(yōu)勢(shì)種，是厭氧消化系統(tǒng)中最為重要的發(fā)酵菌門(mén)[19]，可見(jiàn)排水管網(wǎng)內(nèi)的生化反應(yīng)過(guò)程以發(fā)酵作用為主.

屬水平上優(yōu)勢(shì)種主要為Candidatus_Competibacter(聚 糖 菌 屬，占 比 為 6.5%~8.0%)、norank_c_Bacteroidetes_vadinHA17(無(wú)分類_擬桿菌門(mén)屬，占比為4.0%~8.6%)、Defluviicoccus(占 比 為4.7%~3.2%)、Dechloromonas(脫 氯 單 胞 菌, 占 比 為2.8%~5.0%)、vadinBC27_wastewater-sludge_group( 占比為1.1% ~4.9%)等〔見(jiàn)圖2(c)〕. 其中，Candidatus_Competibacter在管網(wǎng)厭氧過(guò)程中產(chǎn)生并積累聚-β羥基-鏈烷酸酯(PHA)，再以硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體在缺氧段還原PHA，隨后在好氧條件下可以將聚羥基脂肪酸氧化成二氧化碳或轉(zhuǎn)化成糖原[20]；norank_c_Bacteroidetes_vadinHA17是一種厭氧桿菌，可分解蛋白胨或葡萄糖，產(chǎn)生乙酸、乳酸和丙酸等[21]，與Candidatus_Accumulibacter類似，具有PHA與脂肪酸合成功能[22]，是降解管網(wǎng)中有機(jī)碳的重要菌屬.

2.2 不同水力水質(zhì)工況對(duì)微生物組多樣性的影響

2.2.1外源性碳

在外源性碳的影響下，通過(guò)門(mén)水平的相對(duì)豐度分析〔見(jiàn)圖3(a)〕可知，A1_EU中僅有Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes，而A2_EU除這三類細(xì)菌門(mén)外，還發(fā)現(xiàn)相對(duì)豐度較低的Actinobacteria(放線菌門(mén)，0.38%)、Synergistetes(互養(yǎng)菌門(mén)，0.5%)和Spirochaetae(螺旋菌門(mén)，0.4%). 烘干底泥在沒(méi)有外源性碳源和微生物補(bǔ)充的情況下，原底泥中vadinBC27_wastewater-sludge_group、norank_c__Bacteroidetes_vadinHA17等厭氧消化的菌屬幾乎消失. 而過(guò)膜后的污水雖濾去大多微生物，但仍留有大量溶解性有機(jī)物，為底泥補(bǔ)充了適量的碳源，因此A2_EU中厭氧發(fā)酵菌豐度得到提高，出現(xiàn)Synergistete、Spirochaetae等產(chǎn)甲烷階段的新增菌群. 對(duì)A3_EU和A4_EU進(jìn)行屬水平的組間差異性分析〔見(jiàn)圖3(b)〕，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)菌屬在有外源性碳補(bǔ)充的底泥中相對(duì)豐度更高，其中厭氧桿菌norank_c__Bacteroidetes_vadinHA17差異性最顯著(P≤0.001)，在樣本中相對(duì)豐度分別為7.6%和11.7%.

此外，徑流雨水和生活污水中因所攜帶的有機(jī)物種類不同，使得微生物對(duì)其作用效率不同，所以不同的外源性碳對(duì)底泥中微生物組的多樣性也有影響. 通過(guò)對(duì)B4_EU和B5_EU中微生物的門(mén)水平組間差異性分析〔見(jiàn)圖3(c)〕，優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均為Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Acinetobacter等有機(jī)物降解類相關(guān)菌門(mén)，但在污水組底泥中相對(duì)豐度更高.Bacteroidetes能分解底泥中蛋白胨或葡萄糖，產(chǎn)生乙酸、乳酸和丙酸等；Chloroflexi作為一種嚴(yán)格的厭氧微生物，能利用一系列的短鏈脂肪酸產(chǎn)生H2、CO2及乙酸，并且能與氫營(yíng)養(yǎng)的產(chǎn)甲烷菌共生參與有機(jī)化合物的降解；Firmicutes可以水解蛋白、脂肪和碳水化合物等大分子物質(zhì)，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中對(duì)揮發(fā)酸的產(chǎn)生具有重要作用. 這些優(yōu)勢(shì)菌門(mén)可快速分解底泥中部分蛋白質(zhì)及有機(jī)酸等簡(jiǎn)單小分子物質(zhì)，完成自身的微生物呼吸及代謝過(guò)程[23]，因此這些優(yōu)勢(shì)菌門(mén)在得到污水中大量有機(jī)物的補(bǔ)充后，相對(duì)豐度顯著高于雨水組(0.01＜P≤0.05). 同時(shí)通過(guò)EEM分析，反應(yīng)后污水組底泥中類色氨酸熒光峰強(qiáng)度較反應(yīng)前的增幅(142.7%)大于雨水組(72.6%)(見(jiàn)表3)，可側(cè)面證明污水組底泥中有機(jī)物降解類微生物相對(duì)豐度更高，微生物作用產(chǎn)物更多.

2.2.2剪切力

不同剪切力對(duì)底泥表層生物環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大. 剪切力的增大有利于DOM在底泥中的滲透，促進(jìn)底泥中微生物的生長(zhǎng)和碳降解效率. 基于門(mén)水平下剪切力組底泥微生物的組間差異性〔見(jiàn)圖4(a)〕，發(fā)現(xiàn)Proteobacteria和Chloroflexi在B5_EU中相對(duì)豐度分別為44.4%和8.9%，在B1_EU中相對(duì)豐度分別為46.5%和10.9%，呈顯著性差異(P≤0.001)，因此反應(yīng)后較高剪切力組的底泥COD降幅(81.1%)大于對(duì)照組(74.0%)〔見(jiàn)圖4(c)〕，且反應(yīng)后類色氨酸熒光強(qiáng)度的增幅(294.2%)高于對(duì)照組(142.7%)(見(jiàn)表3).

圖 3 外源碳組底泥微生物的群落分析和組間差異性分析Fig.3 Analysis of sediment microbial community and inter-group difference in exogenous carbon group

圖 4 剪切力組底泥微生物的組間差異性分析和COD濃度變化趨勢(shì)Fig.4 Analysis of the difference between microbial groups in the sediment of shear stress group and the change trend of COD concentration

剪切力一方面影響了上覆水中碳源向底泥的滲透，另一方面造成水流湍動(dòng)加大溶解氧逸散. 基于屬水平下剪切力組底泥微生物的組間差異性〔見(jiàn)圖4(b)〕，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)菌屬Dechloromona、norank_f_Anaerolineaceae(厭氧繩菌屬)、Longilinea(長(zhǎng)繩菌屬)在B1_EU中相對(duì)豐度顯著(P≤0.001)高于B5_EU中的相對(duì)豐度，其在B1_EU相對(duì)豐度分別為5.5%、2.3%和2.8%，而在B5_EU中的相對(duì)豐度分別為4.3%、2.3%和1.5%. 因此高剪切力為這些主要功能是分解蛋白、碳水化合物的底泥厭氧微生物提供了良好的厭氧環(huán)境，使厭氧類微生物的豐度增加. 此外，低剪切力下可富集更多微生物，形成緊密的活性高的生物膜[24]，0.732 N/m2的剪切力可能影響了管網(wǎng)中泥水分層的界面，破壞了上層底泥的環(huán)境，因此使得微生物群落多樣性降低.

2.2.3溫度

在不同溫度的影響下，底泥中主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén)Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi的相對(duì)豐度〔見(jiàn)圖5(a)〕均呈現(xiàn)顯著性差異(P≤0.001). 因溫度會(huì)影響微生物蛋白質(zhì)活性，同時(shí)較高溫度會(huì)降低底泥中溶解氧濃度，所以在25 ℃環(huán)境下，B5_EU中Proteobacteria、Bacteroidetes等菌門(mén)相對(duì)豐度更高；而Chloroflexi(11.1%)可適應(yīng)溫度較廣，可在41 ℃環(huán)境下的底泥中進(jìn)行厭氧反應(yīng)，所以在B2_EU中相對(duì)豐度更高. 結(jié)合EEM分析，B5_EU中類色氨酸熒光強(qiáng)度的增幅(142.7%)高于對(duì)照組(94.6%)(見(jiàn)表3)，可側(cè)面證明25 ℃環(huán)境中微生物組相對(duì)豐度更大，微生物作用產(chǎn)物更多.

從屬水平〔見(jiàn)圖5(b)〕分析，優(yōu)勢(shì)菌屬Candidatus_Competibacter、Defluviicoccus等相對(duì)豐度較高且呈顯著性差異(P≤0.001)，且在B2_EU中相對(duì)豐度更高(分別為4.9%和3.8%).Defluviicoccus適宜溫度較高，在厭氧階段吸收并儲(chǔ)存糖類有機(jī)物，為厭氧代謝提供能源[25]；Candidatus_Competibacter的厭氧最適溫度為35 ℃左右，合成PHA的速率隨溫度的升高而降低，而好氧溫度最高不超過(guò)30 ℃，因此相比于25 ℃，41 ℃更有利于Candidatus_Competibacter生存.

圖 5 溫度組底泥微生物的組間差異性分析Fig.5 Analysis on the differences of the bottom mud microorganisms of the temperature group

2.2.4pH

微生物生長(zhǎng)有最適的pH范圍，不同的pH會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給狀態(tài)，影響菌體細(xì)胞膜的帶電荷性質(zhì)和穩(wěn)定性，還會(huì)影響對(duì)物質(zhì)的吸收能力，最終影響微生物群落和豐度.

通過(guò)門(mén)水平的組間差異分析〔見(jiàn)圖6(a)〕可知，只有優(yōu)勢(shì)菌門(mén)Proteobacteria、Chloroflexi在B3_EU中的相對(duì)豐度分別為49.4%和10.1%，顯著(P≤0.001)大于在B5_EU中的相對(duì)豐度(分別為44.4%和8.9%).在B3_EU的堿性環(huán)境中，這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均為桿狀菌，沒(méi)有過(guò)量的絲狀菌，這與朱哲等[26]研究結(jié)果一致.而其余呈顯著性差異的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)(P≤0.001)在B5_EU中相對(duì)豐度更高，如Bacteroidetes、Firmicutes等. 這些細(xì)菌因胞外聚合物多帶負(fù)電荷，在堿性環(huán)境下，胞外聚合物中酸性基團(tuán)發(fā)生了裂解，使多糖和蛋白質(zhì)流出[27]，且優(yōu)勢(shì)種在有充足碳源的情況下產(chǎn)生并積累有機(jī)酸，使B3_EU的COD降幅(75.7%)低于B5_EU的COD降幅(54.6%)〔見(jiàn)圖6(b)〕. 這與黃健等[28]研究在堿性環(huán)境下，大量細(xì)胞裂解和累積的有機(jī)酸，使得類色氨酸熒光強(qiáng)度的增幅(201.5%)高于中性環(huán)境下的(142.7%)(見(jiàn)表3)的結(jié)果一致，因此B3_EU中微生物的相對(duì)豐度較低，但微生物種類卻略少于B5_EU中的微生物種類.

圖 6 pH組底泥微生物的組間差異性分析和COD濃度的變化趨勢(shì)Fig.6 Analysis of difference between microflora and change trend of COD concentration in sediment of pH group

2.2.5SO42-濃度

在不同SO42-條件下，C1_EU和C2_EU中微生物群落相似且相對(duì)豐度變化不明顯，但上覆水中微生物組成和相對(duì)豐度變化明顯，且屬水平組間差異顯著(見(jiàn)圖7)，優(yōu)勢(shì)種主要為Zavarzinia(扎瓦爾金氏菌屬)、Methyloparacoccus和Kerstersia(克斯特菌屬). C2_ES中Zavarzinia(25.9%)、Methyloparacoccus(30.5%)、Kerstersia(18.4%)相對(duì)豐度均大于C1_ES中的相對(duì)豐度(依次分別為12.6%、2.3%和7.5%). 同樣作為上覆水優(yōu)勢(shì)種的Methylocystis(甲基孢囊菌屬)也呈顯著性差異(P≤0.001)，但C1_ES的Methylocystis(10.7%)的相對(duì)豐度遠(yuǎn)大于C2_ES中的相對(duì)豐度(3.2%). 這是因?yàn)楦逽O42-濃度為嗜酸菌、酸桿菌、硫酸鹽還原菌等菌屬提供了良好的生存環(huán)境，對(duì)厭氧反應(yīng)類的微生物有較大抑制性. 但改變SO42-濃度對(duì)底泥中微生物影響不大，這不僅是因?yàn)镾O42-滲透有限，也是因?yàn)楫a(chǎn)硫過(guò)程只發(fā)生在底泥表面0~1 cm處[2]. 同時(shí)，Methylocystis和其他噬酸甲烷氧化菌一樣，無(wú)法在有機(jī)酸或糖中生長(zhǎng)[29]，能夠利用甲烷和甲醇，又能夠利用一些含C-C鍵的多碳有機(jī)物作為其生長(zhǎng)底物[30].

上覆水SO42-濃度對(duì)上覆水中微生物產(chǎn)生了較大的影響，尤其高濃度的SO42-會(huì)對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，且SO42-濃度越大，厭氧發(fā)酵氣體產(chǎn)排量越低，這與Jeong等[31]研究甲烷菌在含SO42-污泥中受抑制的結(jié)果一致. 上覆水中優(yōu)勢(shì)菌Zavarzinia，對(duì)酸性條件有較高的耐受能力，可在pH小于5的酸性環(huán)境中生長(zhǎng). 新鮮的徑流雨水含大量的溶解氧，且SO42-濃度為72 mg/L，這為嚴(yán)格好氧的優(yōu)勢(shì)種Zavarzinia提供了良好的生存環(huán)境. 大量Zavarzinia將乙醇氧化成醋酸，減少了碳的轉(zhuǎn)化. 同樣是優(yōu)勢(shì)種且適宜生存在酸性和有溶解氧環(huán)境中的Methyloparacoccus，可利用CH4或甲醇這類C1化合物作為其生長(zhǎng)底物[32]，直接或間接地減少CH4的產(chǎn)生.

3 結(jié)論

a) 市政重力流排水管網(wǎng)底泥中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Acinetobacter等均為有機(jī)物降解類細(xì)菌. 當(dāng)混接的污染源越多，類色氨酸類有機(jī)物就越多，細(xì)菌群落多樣性就越高；當(dāng) 外 源 性 碳 濃 度 越 高，Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Acinetobacter等菌門(mén)豐度就越高. 因此整治管網(wǎng)混接，實(shí)行分流制排水系統(tǒng)，有利于控制底泥微生物的多樣性，減少碳的轉(zhuǎn)化.

b) 在一定范圍內(nèi)，剪切力越高，底泥中Dechloromona、norank_f_Anaerolineaceae、Longilinea等厭氧微生物(其主要功能是分解蛋白、碳水化合物)的豐度就越高. 而過(guò)高的剪切力，可能會(huì)破壞泥水分界面，減少生物膜的形成，降低微生物群落的多樣性.

c) 在一定范圍內(nèi)，溫度越高，底泥微生物組豐度就越高. 在41 ℃環(huán)境下，適應(yīng)溫度較廣的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)Chloroflexi和優(yōu)勢(shì)菌屬Defluviicoccus、Candidatus_Competibacter豐度最高，其合成大量有機(jī)物，存在CH4排放的潛勢(shì)；而Proteobacteria、Bacteroidetes等菌門(mén)因微生物蛋白質(zhì)活性受溫度影響，微生物組豐度降低.

d) 在堿性環(huán)境中，微生物胞外聚合物中酸性基團(tuán)發(fā)生了裂解，只有Proteobacteria、Chloroflexi等桿狀菌豐度較高，沒(méi)有過(guò)量的絲狀菌，且可能因累積的大量有機(jī)酸，從而產(chǎn)生了大量類色氨酸. 而pH為中性的環(huán)境中，Bacteroidetes、Firmicutes等菌門(mén)豐度更高.

e) SO42-濃度對(duì)底泥微生物影響較小，但較高SO42-濃度提高了上覆水中Methylocystis、Zavarzinia等微生物豐度，抑制了Methylocystis等厭氧微生物的生長(zhǎng)，有利于抑制COD的降解，但可能會(huì)造成H2S濃度的提高，這個(gè)問(wèn)題還需進(jìn)一步研究.