滞留诱导室内饮用水管道细菌增殖特征

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饮用水安全与人体健康息息相关,由于饮用水直接暴露于细菌大量存在的外界环境中,因此饮用水中的细菌滋生便不可避免;为确保饮用水安全,各大水厂会对饮用水水源的选取、水厂地址的选定、水处理工艺的选择进行层层把关。以确保出水各项指标符合国家饮用水标准。然而,经过长距离输送,当饮用水从水厂输送到千家万户时,其中微生物数量及种群结构会发生微妙变化。由于技术以及个人隐私的限制,对室饮用水进行微生物指标监控成为技术性难题;再者,由于不可避免的自然规律,室内管道会出现不同程度的滞留。探究室内饮用水管道在滞留状态下水质变化、微生物增殖特征及种群结构变化具有重要的社会价值及科学意义。本研究以室内饮用水管道水为研究对象,主要研究由于自然原因导致的不可避免的过夜滞留诱导室内饮用水管道细菌增殖特征,诊断滞留驱动室内饮用水管道水体微生物种群季相演替规律,探明管道水水质、微生物变化特征与突发藻污染及水环境因子之间的偶联机制,对滞留及突发水质污染情况下水质进行风险评估,以期为改善市政管道中微生物生态结构研究提供理论支持,为改善饮用水健康状况提供科学依据。本研究主要结论包括:(1)揭示了过夜滞留诱导室内饮用水管道微生物状态的季相演替特征。水质化学参数分析表明室内管道过夜滞留水体随季节变迁呈现规律性变化,细菌增殖特征随季节性变化明显,夏秋两季高温期增殖3.31倍。三磷酸腺苷分析(ATP)、Biolog指纹代谢技术分析表明,碳源代谢特征相关性分析表明集中供水新鲜水体受季节影响明显,过夜滞留水中细菌浓度在夏季达到最高,水中总ATP含量在滞留后春夏秋冬分别增长4.20,5.15,5.22和2.32倍。二次供水中微生物代谢活性显著高于直接供水。共生网络分析表明硝化螺旋菌属(Nitrospira)、Dongia、苔藓杆菌属(Bryobacter)、盐单胞菌属(Halomonas)、棒状杆菌(Corynebacterium)等在滞留水网络构架中起主导作用,而新鲜水中核心菌属为(Hyphomicrobium)、假红杆菌属(Pseudorhodobacter)、涅斯捷连科氏菌属(Nesterenkonia)、假单胞菌(Psedomonas)、罗尔斯通氏菌属(Ralstonia)等。(2)在人工供暖的影响下,过夜滞留水水质恶化,铁(Fe)和余氯均达不到国家饮用水标准(GB 5749-2006)。水中细菌浓度、ATP含量、细菌代谢能力在过夜滞留后显著升高(P<0.001),微生物群落结构更具多样性且丰度更高,机会致病菌(Opportunistic premise plumbing pathogens,OPPPs)含量显著增加且军团菌属(Legionella)成为核心菌属之一,表明滞留后水对人体健康具有潜在威胁,温度和硫酸盐对细菌种群结构形成影响显著,流式细胞术(FCM)、Biolog、ATP和DNA测序技术结合为饮用水细菌检测提供了稳定全面的方法。(3)在夏季自然升温期,8月滞留水体Fe浓度增加浓度最大(6.04倍),部分样品超出国家饮用水水质标准限值(0.3 mg/L)(GB 5749-2006);总有机碳(TOC)浓度维持在1.31 mg/L~2.51 mg/L,且逐渐增加。8月细菌增长倍数最大,达到2.33倍;总ATP浓度与总细菌浓度表现出显著性正相关(R2=0.83,P<0.01),胞内ATP变化范围为0.17~12.94×10-17 g ATP/cell,经一夜滞留后亦明显增加。研究表明高温期饮用水过夜滞留后水质显著恶化。(4)在低浓度藻源有机物(AOM)影响下(TOC=5.77±0.01 mg/L)饮用水水质发生不同程度恶化,细菌种群互作关系发生显著改变。饮用水滞留后期反硝化作用占据主导,导致NO2--N含量激增。滞留前后水中有机物成分发生改变,由类富里酸、类蛋白质及腐殖质类转化为腐殖质类。在这些有机物的刺激下,细菌数量及ATP含量均有显著增加,且细菌总数在滞留过程中达到57.90±4.86×105 cells/mL。AOM为影响细菌种群结构的重要因素。(5)在高浓度AOM刺激下(TOC=7.14±0.15 mg/L),水中氮磷指标均超过国家标准(GB 5749-2006),NO2--N在滞留过程中激增,有机物成分在滞留过程中变得复杂,由腐殖质类转化为类蛋白及类富里酸,细菌浓度在滞留过程中增加了28.08倍,水中微生物多样性有所降低,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)等为优势菌门。属水平种群结构构建上起重要作用的有新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、食酸菌属(Acidovorax)、产碱杆菌属(Alcaligenes)等。
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