環(huán)境因子對污水微生物豐度及多樣性的影響

尤俊豪 宗永臣 王 俊 傅椿惠 唐世龍

(西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000)

微生物作為地球上生物多樣性最豐富的群體[1]，在生態(tài)循環(huán)中扮演眾多重要角色，其中一個角色就是在污水處理廠的污水凈化過程中扮演去除水中有害物質(zhì)的消解者。隨著生物測序技術(shù)的不斷發(fā)展，使我們能夠了解污水處理廠微生物群落的豐度、多樣性等，并探索微生物群落與處理效率之間的關(guān)系。作為污水凈化過程的主導(dǎo)者活性污泥是一個高度復(fù)雜的微生物群落，其中微生物的豐度和多樣性直接影響去除效果，Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)的高低直接代表微生物豐度及多樣性的高低[2-4]。但微生物豐度和多樣性又易受環(huán)境因素的影響[5-8]。因此通過揭示環(huán)境因素對微生物的影響，對后期提高污水去除效率和污水處理廠的運行優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

本文通過收集已發(fā)表文章的數(shù)據(jù)，共收集28個城市的68座污水處理廠的緯度、海拔、溫度、進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP指標(biāo)和微生物豐度、多樣性的Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)，及門水平下的優(yōu)勢菌門，其中處理工藝統(tǒng)屬于生物法。運用多種分析方法來分析環(huán)境因素對污水處理廠微生物豐度及多樣性的影響程度，為提高污水處理廠運行效率提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

1.1 數(shù)據(jù)收集

在科學(xué)網(wǎng)、谷歌學(xué)術(shù)上輸入關(guān)鍵詞“Wastewater microorganisms”進(jìn)行文獻(xiàn)搜索，對收集后的文獻(xiàn)進(jìn)行選擇。選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)具有二級處理的全規(guī)模污水處理廠(不考慮中試規(guī)模和實驗室規(guī)模的廢水處理系統(tǒng))。(2)采用的測序技術(shù)盡可能保持一致。(3)文章數(shù)據(jù)具有Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)以及緯度、海拔、溫度、污水處理廠進(jìn)水指標(biāo)。在收集到28個城市102座污水處理廠數(shù)據(jù)后，又按照數(shù)據(jù)測試的時間前后和每個城市相同工藝只取兩個樣本為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選。最后從8篇文獻(xiàn)中篩選出68座污水處理廠，并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)[9-16]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對于收集的數(shù)據(jù)中缺失緯度或者海拔的樣本，通過文獻(xiàn)中提供的緯度或者污水處理廠地點名字在www.qvdv.com網(wǎng)站查詢到相應(yīng)的緯度或海拔。使用origin2018和IBM SPSS Statistics 23軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二階多項式擬合分析、單因素方差分析、冗余分析和做圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 緯度對微生物群落豐度與多樣性的影響

本次緯度涉及范圍為18.23 °N～45.82 °N,跨越低緯度與中緯度。在圖1中顯示，隨著緯度的上升，微生物豐度Chao指數(shù)與Shannon指數(shù)呈波浪式趨勢，Chao指數(shù)的變化趨勢更規(guī)律，表明在緯度的影響下，微生物豐度和多樣性的變化存在一致性。在進(jìn)行單因素方差分析中結(jié)果顯示緯度對Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)都有顯著影響(P<0.01,P=0.012)。其中中緯度(30°N～60°N)的平均Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)比低緯度(<30°N)高，這與Lu等[7]研究結(jié)果一致。同時也再次表明污水處理廠的微生物中不存在LDG模式(從高緯度到赤道的生物多樣性增加的模式)[17],因為污水處理廠不是自然生態(tài)系統(tǒng)，是在嚴(yán)格的工業(yè)管理模式下運行，出水質(zhì)量高，是依賴于運行條件的穩(wěn)定性，因此污水處理廠不存在LDG模式。在基于最小二乘回歸進(jìn)行二階多項式擬合的圖2中，Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)分別以4000和6為分界線。在結(jié)合所查詢每個污水處理廠所處的氣候分析發(fā)現(xiàn)在Chao指數(shù)4000以上和Shannon指數(shù)6以上幾乎都屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,而氣候類型被認(rèn)為受緯度和海拔的影響[18]，又因為這些樣本的采集是在夏季，亞熱帶季風(fēng)氣候夏季的平均溫度在20℃以上，這有利于細(xì)菌的繁殖。表明緯度主要通過對氣候類型的影響進(jìn)而影響微生物群落豐度和多樣性。

圖1 不同緯度下的Chao指數(shù)與Shannon指數(shù)

圖2 對不同緯度下Chao指數(shù)與Shannon指數(shù)的擬合曲線

2.2 海拔對微生物群落豐度與多樣性的影響

海拔是影響污水中微生物豐度與多樣性的因素之一[19]。我們把海拔小于100米劃為低海拔，100米至500米劃為中海拔，大于500米劃為高海拔。圖3(a)中看出，中海拔的Chao指數(shù)最高，其次是低海拔、高海拔，低海拔和中海拔的Chao指數(shù)隨海拔變化趨勢相同。海拔高會導(dǎo)致溫度低，研究表明溫度低，其微生物豐度有所下降[20]。在高海拔處我們看到1500米時，微生物豐度呈直線下降，這是因為在高海拔地區(qū)，海拔1500米是污水微生物豐度的一個閾值[21]。在圖3(b)中，方差分析結(jié)果表明海拔高度與微生物群落豐度指數(shù)差異顯著(P<0.01)。低海拔與中海拔、高海拔之間都有顯著差異。在微生物多樣性Shannon指數(shù)中也發(fā)現(xiàn)，低海拔與中海拔的變化趨勢有相似，高海拔微生物多樣性最低。這是因為高海拔地區(qū)空氣相對稀薄，大氣懸浮顆粒物濃度低，到達(dá)高原表面的太陽紫外線輻射衰減較小，較高的紫外線強度會破壞微生物的DNA或RNA分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致海拔高的污水處理廠中微生物多樣性降低[22]。在圖3(d)中顯示海拔高度與多樣性指數(shù)不顯著相關(guān)(P=0.14149)，這與之前的研究結(jié)果不同[7]。可能因為高海拔污水處理廠觀察數(shù)據(jù)較少，測序深度的差異所造成。中海拔與高海拔差異極其顯著，低海拔與高海拔之間差異不顯著。上述分析說明海拔對污水微生物豐度的影響比多樣性的影響更顯著。低海拔和中海拔在豐度和多樣性受海拔變化的趨勢存在相似性，高海拔地區(qū)受海拔變化的影響更大。

圖3(a) 不同海拔下的Chao指數(shù)

圖3(b) 單因素方差分析不同組間海拔下Chao指數(shù)的相關(guān)性

圖3(c) 不同海拔下的Shannon指數(shù)

圖3(d) 單因素方差分析不同組間海拔下Shannon指數(shù)的相關(guān)性

2.3 溫度對微生物群落豐度與多樣性的影響

溫度是影響污水處理廠微生物群落多樣性的重要參數(shù)[23]。圖4顯示，溫度對微生物豐度和多樣性都有顯著影響(P=0.042，P=0.024)。從擬合曲線看出，微生物豐度和多樣性在15℃～25℃之間最高，這與郝凱越等[24]、Fan等[25]、Zong等[26]研究結(jié)果相同。這個溫度區(qū)間又剛適合硝化菌和反硝化菌的生長。同時發(fā)現(xiàn)這個溫度區(qū)間多數(shù)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，這與上述緯度對微生物豐度和多樣性影響的分析結(jié)果相同，表明緯度、氣候、溫度三者之間對微生物豐度和多樣性的影響存在相互作用。低溫下(5℃左右)，微生物的豐度和多樣性最低。因為低溫會嚴(yán)重抑制微生物活性、底物利用率和細(xì)胞生長，還會進(jìn)一步導(dǎo)致微生物代謝受到抑制[27-29]。同時有研究表明，污水溫度越低，微生物活性越低，每降低10℃，微生物活性降低50%[30]。隨溫度的增加，微生物豐度和多樣性呈先增后減趨勢。合適的溫度不僅利于微生物的生長活性，而且還有利于硝化和反硝化速率[31]。因此合適的溫度是污水處理廠重要的操作參數(shù)。

圖4 對不同溫度下Chao指數(shù)與Shannon指數(shù)的擬合曲線

2.4 進(jìn)水水質(zhì)對微生物群落豐度與多樣性的影響

理化參數(shù)是影響污水處理中微生物群落的重要環(huán)境因子[32]。Zhang等[33]、Xu等[12]研究表明進(jìn)水TP、COD、NH3-N與微生物群落顯著相關(guān)。本次我們從進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP四個指標(biāo)進(jìn)行分析。圖5冗余分析顯示，四個進(jìn)水指標(biāo)中NH3-N的箭頭最長，其次是TP、COD、TN，箭頭越長對樣本的豐度影響越大，即NH3-N的影響最大。已有研究證明進(jìn)水NH3-N濃度影響活性污泥系統(tǒng)中氨氧化菌的豐度以及氨氧化菌與硝化菌之間的平衡[34]。多樣性Shannon指數(shù)與進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP的濃度呈較強的正相關(guān)，而豐度Chao指數(shù)相對于多樣性Shannon指數(shù)受進(jìn)水指標(biāo)濃度的影響小，四個進(jìn)水指標(biāo)相互之間呈正相關(guān)。同時還考慮了碳氮比(COD/TN)，因為有研究表明C/N比也是影響群落結(jié)構(gòu)變化的主要因素之一[35]。圖6的擬合曲線顯示，豐度Chao指數(shù)隨C/N比的增加呈現(xiàn)上升趨勢，這與Huang等[36]、Zhou等[37]的研究表明微生物豐度與C/N比之間有正相關(guān)性相同。多樣性Shannon指數(shù)隨C/N比的增加呈略微下降趨勢。這與Gu等[38]在分析不同C/N比下的畜禽養(yǎng)殖廢水處理反應(yīng)器中微生物群落的結(jié)果表明高C/N比廢水中細(xì)菌的多樣性較高有所不同。原因可能因為污水的組成成分不同所造成。例如工業(yè)污水和生活污水混合的特性在維持好氧顆粒污泥中微生物的豐富度和均勻度方面發(fā)揮了重要作用[11]；進(jìn)水來源相似的污水處理廠微生物群落具有聚集的趨勢[39-40]。綜上所述，進(jìn)水水質(zhì)與進(jìn)水組成成分共同作用影響著污水處理廠微生物群落豐度與多樣性。

圖5 進(jìn)水指標(biāo)與Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)的冗余分析

圖6 對不同C/N下Chao指數(shù)與Shannon指數(shù)的擬合曲線

2.5 環(huán)境因子對微生物群落豐度與多樣性的影響排序

圖7顯示，環(huán)境因子對微生物Chao指數(shù)和Shannon豐度有顯著影響(P=0.001)。緯度對污水處理廠微生物的豐度和多樣性影響程度最大，其次是溫度、TP、海拔、NH3-N、TN、COD；微生物豐度Chao指數(shù)受緯度、溫度、海拔的影響更強，多樣性Shannon指數(shù)受NH3-N、COD、TP、TN的影響更強。同時還顯示出地理環(huán)境位置(緯度、溫度、海拔)對微生物豐度和多樣性的影響程度大于理化參數(shù)(進(jìn)水TP、NH3-N、COD、TN)的影響。眾所周知，微生物是受多因素之間相互作用的共同影響。例如緯度通過氣候影響溫度，溫度又受海拔的影響，進(jìn)而影響微生物群落；圖中也顯示出海拔與進(jìn)水TN、TP、NH3-N存在顯著相關(guān)性，溫度與進(jìn)水COD也存在顯著相關(guān)性。這也體現(xiàn)出環(huán)境因子互相之間的相互關(guān)聯(lián)性。我們還發(fā)現(xiàn)，在門水平下優(yōu)勢菌門豐度最高的是變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actionbacteria)等，這與房平等[19]研究結(jié)果相似，也說明這些優(yōu)勢菌門在污水活性污泥微生物中的絕對地位，也為污水生物處理系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性提供支持。

圖7 不同環(huán)境因子與Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)的冗余分析

3 結(jié)論與展望

作為污水污染物去除中的主要貢獻(xiàn)者微生物，在分析其受環(huán)境因子的影響結(jié)果表明：環(huán)境因子對微生物的豐度和多樣性有顯著影響。地理環(huán)境因素大于理化參數(shù)的影響，緯度對微生物豐度與多樣性的差異貢獻(xiàn)最大，變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actionbacteria)等是污水處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌門。了解活性污泥中微生物豐度和多樣性受環(huán)境因素的影響程度對污水處理廠實際運行的優(yōu)化有極其重要的指導(dǎo)作用。同時也促進(jìn)了研究者對環(huán)境因子與微生物之間的關(guān)聯(lián)性了解。

未來污水處理廠活性污泥微生物的研究方向應(yīng)關(guān)注以下幾點：(1)研究環(huán)境因子對各種代謝通路機(jī)理的影響，以便更深入的了解各種污染物的去除與環(huán)境因子、代謝通路三者之間的相互作用。(2)對微生物功能基因與環(huán)境因子之間的影響進(jìn)行深入探究，因為功能基因的改變直接影響污水處理廠污染物的去除效率。(3)加強污水微生物中病毒功能與環(huán)境因子的關(guān)系研究，因為有研究表明病毒對污水微生物的群落有顯著影響[41]，可為污水處理廠病毒風(fēng)險防控和提高污水凈化效率提供理論基礎(chǔ)。