申屠華斌,張逸夫,錢 棟,王 浩,柳景青*

實際重力流排水管道中微生物群落對管道的腐蝕影響

申屠華斌1,張逸夫2,錢 棟3,王 浩4,柳景青2*

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海 200061；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計院有限公司,浙江 杭州 310012；4.中國聯(lián)合工程有限公司,浙江 杭州 310022)

通過在實際重力流排水管道中選取10個典型的腐蝕區(qū)域作為研究對象,通過對排水管道對應(yīng)腐蝕區(qū)域的生物膜和水體進(jìn)行采樣,探究實際排水管道不同空間位置上微生物群落分布的差異性以及水質(zhì)因素對微生物群落多樣性分布影響.采用高通量測序方法反映腐蝕區(qū)域微生物群落的多樣性.結(jié)果表明,在排水管道中10個典型腐蝕區(qū)域中的微生物群落分布結(jié)構(gòu)基本相似,在門水平上主要是變形菌占絕對優(yōu)勢,其次是放線菌門,在綱水平上主要是-變形菌綱,其次是-變形菌綱兩者相對含量之和占到43.56%,在屬水平上的硫酸鹽還原菌對管道具有嚴(yán)重的局部腐蝕,包含有Desulforhabdus, Desulfuromonas, Desulfobacter.RDA環(huán)境影響因子研究發(fā)現(xiàn),在門水平上硫化氫、溶解氧與微生物群落存在一定的相關(guān)性,在綱水平上與微生物群落存在相關(guān)性的主要是銨根離子、pH值和COD.

排水管道；微生物群落；高通量測序；管道腐蝕

排水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施,擔(dān)負(fù)著城市雨水、生活污水以及工業(yè)廢水的收集與輸送的功能[1-2].目前,我國城市污水管道都是以混凝土材料為主,排入管道的污水中含有酸性無機物以及有機物的分解對管道的內(nèi)壁造成了一定程度的腐蝕,在長期運行情況下必將損壞管道結(jié)構(gòu),造成管道破裂引起污水泄漏[3].因此有必要展開對管道腐蝕的研究.

不少學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),管道中的微生物參與氧化還原反應(yīng)促使腐蝕過程更加復(fù)雜化,同時產(chǎn)生異味氣體、腐蝕等危害[4-5];在大暴雨天氣可能導(dǎo)致管道局部塌陷,包含細(xì)菌和病毒等大量污染物質(zhì)將會溢出,危害公共健康安全、增加環(huán)境污染風(fēng)險[6-7];因此,了解排水管道中腐蝕微生物的分布和種群結(jié)構(gòu)特征,對污水系統(tǒng)的安全運行和管理具有重要意義.

研究管道腐蝕部位微生物群落的多樣性,尤其是各種環(huán)境中都能存活且對管道存在嚴(yán)重腐蝕優(yōu)勢菌種非常重要,可在前期有效預(yù)防排水管道破裂、坍塌等事故的發(fā)生.以往研究復(fù)雜的微生物群落主要針對進(jìn)入處理廠的微生物種群結(jié)構(gòu)[8-9]和分布對硫循環(huán)功能菌群內(nèi)的排水管道生物膜[10-11],其中大部分使用的是實驗室規(guī)模的反應(yīng)器模擬試驗.但是,在實際污水管道中發(fā)生的生化反應(yīng)其實是相當(dāng)復(fù)雜的動態(tài)的過程,附著在排水管道內(nèi)壁上生物膜中的微生物可能處于好氧與厭氧交替演變的生長環(huán)境,這種相對的復(fù)雜環(huán)境對于微生物群落生長影響狀況尚未明確.復(fù)雜的生長環(huán)境條件可能影響微生物群落結(jié)構(gòu)與種類,或?qū)?dǎo)致具有腐蝕嚴(yán)重功能的微生物群落大量滋生,破壞管道結(jié)構(gòu),繼而引發(fā)嚴(yán)重的污水管道問題.

因此,本文將對實際重力流排水管道展開研究,對腐蝕嚴(yán)重的典型區(qū)域展開調(diào)查,探究不同空間位置微生物群落的差異性分布以及影響微生物群落分布的關(guān)鍵環(huán)境影響因子.

1 材料與方法

1.1 排水管道概況

研究的排水管道位于中國長三角某城市的污水總管(如圖1所示),該管段建設(shè)于20世紀(jì)90年代,至今已經(jīng)20余年,管道總長約20km,混凝土材質(zhì),管徑為DN800~DN1500之間,由于管段出現(xiàn)不同程度的腐蝕、破裂需對其進(jìn)行非開挖修復(fù),在進(jìn)行修復(fù)前進(jìn)行CCTV檢測(即管道閉路電視Closed Circuit Television),本實驗根據(jù)檢測報告篩選出10個典型的腐蝕嚴(yán)重的管段進(jìn)行分析,部分CCTV檢測如圖2所示.

圖1 實際排水管道示意

圖2 部分排水管道CCTV檢測

1.2 生物膜采樣

依次對選取10個處于不同空間位置的腐蝕管段進(jìn)行生物膜采樣:使用經(jīng)過酒精消毒的刮刀對管道腐蝕處周邊的生物膜進(jìn)行取樣,對采集的樣品進(jìn)行定容,定容后將樣品分成2份,1份保存在4℃冰箱中,用于生物膜理化指標(biāo)和生物量測定;另1份保存在-20℃冰箱中,用于后續(xù)分子生物學(xué)測定.

1.3 化學(xué)指標(biāo)測定

使用HACH HQ30D型單路輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀測定溶解氧(DO)、pH值和ORP;使用硫化氫庫倫檢測儀檢測硫化氫氣體濃度;使用離子色譜法檢測氯離子、硫酸根離子、銨根離子;使用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法檢測COD含量.

1.4 Illumina高通量測序

提取的樣品DNA送往上海派森諾有限公司進(jìn)行高通量測序,采用Illumina測序儀測序.獲得原始數(shù)據(jù)后,首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制(序列長度200~1000個堿基對,連續(xù)相同堿基對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操作單元格(OTU)[12],根據(jù)OUT列表中的各個樣品物種豐富度情況應(yīng)用軟件mothur進(jìn)行操作.

1.5 環(huán)境影響因子RDA

環(huán)境影響因子分析就是用來確定環(huán)境變量與微生物種群結(jié)構(gòu)之間的顯著相關(guān)性.

采用統(tǒng)計分析應(yīng)用軟件CANOCO 4.5對Illumina高通量測序數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析.DCA用來表示物種的分布梯度長度,梯度的長度小于3,并作為一個線性數(shù)據(jù)分布獲得,RDA進(jìn)行進(jìn)一步分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同空間位置上微生物群落的分布

從數(shù)據(jù)中可以看到在10個典型腐蝕區(qū)域管道內(nèi)壁生物膜中微生物群落在門水平上如圖3(a)所示,Proteobacteria(變形菌門)相對含量在所有菌落中占有絕對優(yōu)勢,在60.64%~72.69%范圍之間,其中a5和a62個區(qū)域相對含量最高達(dá)到70%以上,這表明在生物膜中變形菌具有較大的生存能力,適用于在惡劣環(huán)境中繁殖生長.其次是Actinobacteria(放線菌門)相對含量約為7.48%~12.65%,a5和a7兩個腐蝕區(qū)域管道中Actinobacteria(放線菌門)的數(shù)量最高達(dá)到9.0%以上.而Acidobacteria(酸桿菌門)相對含量約為4.12%~6.55%、Bacteroidetes(擬桿菌門)相對含量約為4.38%~6.74%、Chloroflexi(硫細(xì)菌)相對含量5.11%~6.64%,這3種門水平上的菌種相對含量相對于其他菌來說含量幾乎差不多,這表明Acidobacteria(酸桿菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Chloroflexi(硫細(xì)菌)在腐蝕管道生物膜中生存能力幾近類似.Firmucutes(硬壁菌門)在a1~a5中相對含量相對較低約為1.25%~4.73%之間,而a6~a10之間該菌相對含量較高約為5.11%~6.98%,這表明該類菌門在不同區(qū)域,生長繁殖受到影響,可能不同區(qū)域上環(huán)境影響因子抑制或促進(jìn)該菌門的生長.

其它門水平微生物群落相對含量則較低. Gemmatimonadetes(芽單胞菌門)相對含量約為0.18%~2.12%,Nitrospire(硝化螺旋菌)約為1.03%~ 3.29%,Cyanobacteria(藍(lán)細(xì)菌)約為0.54%~1.72%, Planctomycetes(浮霉?fàn)罹?約為0.27%~2.29%,這些菌可能相對于Proteobacteria(變形菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Actinobacteria(放線菌)其相對生存能力較弱,不具有較大的生存競爭優(yōu)勢,因此其含量相對較少.

圖3 10個典型腐蝕區(qū)域微生物群落結(jié)構(gòu)組成

分析綱水平上的數(shù)據(jù)如圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)在綱水平上的微生物群落相對含量最高的是Alphaproteobacteria(-變形菌綱),占到34.31%~ 45.26%,其次是Betaproteobacteria(-變形菌綱),相對含量占到19.25%~30.97%,這兩類菌在所有綱水平上的菌中具有較強的生存優(yōu)勢,兩者相對含量之和占到43.56%.而Gammaproteobacteria(-變形菌綱)和Actinobacteria(放線菌綱)的相對含量相差不大,分別為6.94%~9.87%和6.44%~10.92%,值得注意點是Alphaproteobacteria(-變形菌綱)、Betaproteobacteria(-變形菌綱) Gammaproteobacteria(-變形菌綱)和Actinobacteria(放線菌綱)這4種菌在10個典型腐蝕區(qū)域含量基本相似,分布較為均勻由此可見在一定程度上空間差異并未造成這幾種菌含量的差異.

Flavobacteriia(黃桿菌綱)、Deltaproteobacteria(-變形菌)、Sphingobacteriia(鞘氨醇桿菌)這3種菌在a1~a5之間相對含量較高,分別是3.94%~4.73%, 2.01%~2.54%和8.12%~10.92%;而在a6~a10之間相對含量則較低,分別為0.56%~2.07%,1.55%~2.19%和1.04%~2.35%.與之形成對比的是Acidobacteria(酸桿菌門)、Bacilli(桿菌綱)、Gemmatimonadetes(芽單胞菌綱)在a1-a5之間相對含量較低,分別是0.32%~0.59%、0.23%~0.45%和0.17%~1.54%,而在a6-a10之間相對含量分別為1.33%~3.15%,2.01%~ 7.02%和4.15%~8.65%,這些數(shù)據(jù)表明這些菌在不同空間上分布差異性較大,易受環(huán)境因素的影響.

在屬水平如圖3(c)上的微生物群落按功能進(jìn)行歸類發(fā)現(xiàn)生物膜中含有腐蝕細(xì)菌有SRB(硫酸鹽還原菌)、SOB(硫氧化菌)、AOB(氨氧化菌)、NRB(反硝化細(xì)菌)、IOB(鐵氧化菌)、IRB(鐵還原菌)等.通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)SRB在總的菌屬中占有較大相對含量,達(dá)到28.54%~42.43%之間,有的學(xué)者有研究表明SRB的存在將會對管道局部造成嚴(yán)重腐蝕,SRB包含有(熱硫還原桿菌屬),,(脫硫單胞菌屬),(脫硫球莖菌屬),(脫硫弧菌),(脫硫疊球菌屬),(脫硫桿菌屬),這些細(xì)菌會將硫酸根還原成硫化氫氣體,進(jìn)而氧化成硫酸,對管道頂部造成嚴(yán)重腐蝕.NRB菌和AOB菌種相對含量分別約為12.35%~18.54%和7.15%~10.88%,NRB菌和AOB菌的存在影響著污水管道中氮的循環(huán).在管道內(nèi)壁表面遭到腐蝕,水泥脫落,其中的鋼筋逐漸裸露出來,此時,IOB菌的存在將會促進(jìn)金屬的腐蝕,對于管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重,損壞比較大的管道腐蝕區(qū)域點如a2、a4、a6和a10區(qū)域的IOB相對含量較高,約為4.54%~5.64%之間,較好驗證IOB菌含量越多,腐蝕越嚴(yán)重的觀點.

3.2 微生物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)性

研究表明排水管道中的微生物群落受環(huán)境因素的影響,為了更清楚了解排水管道中的DO、ORP、COD、銨根離子、硫酸根離子對微生物群落的影響作用,采用RDA對環(huán)境因素和微生物群落進(jìn)行分析,如下圖所示(a)表示在門水平上微生物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系,分析數(shù)據(jù)表明H2S氣體與Bacteroidetes(擬桿菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Proteobacteria(變形菌門)存在顯著正相關(guān)性,與Actinobacteria(放線菌門)和Gemmatinadetes(芽單胞菌門)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.而與溶解氧DO存在顯著相關(guān)性的微生物群落為Cyanobacteria(藍(lán)細(xì)菌門)和Proteobacteria(變形菌門),與Actinobacteria(放線菌門)和Gemmatinadetes(芽單胞菌門)同樣為為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

圖4 水質(zhì)與微生物群落之間的RDA

在綱水平上發(fā)現(xiàn)與微生物群落存在顯著相關(guān)性的主要環(huán)境因素是銨根離子、pH值和COD.從圖4(b)中可以看出pH值與Flavobacteriia(黃桿菌綱)、Acidobacteria(酸桿菌門)之間為顯著正相關(guān)系,而與Betaproteobacteria(-變形菌綱)、Actinobacteria(放線菌綱)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.銨根離子與Gammaproteobacteria(-變形菌綱)、Acidobacteria(酸桿菌門)存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與Alphaproteobacteria(-變形菌綱)和Deltaproteobacteria(-變形菌)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.COD與Betaproteobacteria(-變形菌綱)和Deltaproteobacteria(-變形菌)之間為顯著正相關(guān)關(guān)系,與Actinobacteria(放線菌綱)和Flavobacteriia(黃桿菌綱)則為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié)論

3.1 排水管道中微生物群落在門水平上主要是變形菌占絕對優(yōu)勢,其次是放線菌門,在綱水平上主要是-變形菌綱,其次是-變形菌綱兩者相對含量之和占到43.56%,在屬水平上的SRB對管道具有嚴(yán)重的局部腐蝕,包含有(熱硫還原桿菌屬),,(脫硫單胞菌屬).

3.2 通過RDA環(huán)境影響因子研究發(fā)現(xiàn)在門水平上H2S、DO與微生物群落存在一定的相關(guān)性,在綱水平上與微生物群落存在相關(guān)性的主要是銨根離子、pH值和COD.

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Effect of microbial community on pipe corrosion in the actual gravity flow drainage pipe.

SHENTU Hua-bin1, ZHANG Yi-fu2, QIAN Dong3, WANG Hao4, LIU Jing-qing2*

(1.Shanghai Water Engineering Design & Research Institue CO,.LTD, Shanghai 210061；2.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；3.China Energy Engineering Group Zhejiang Electric Power Design Institute CO., LTD, Hangzhou 310012, China；4.China United Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310022, China)., 2018,38(11)：4284~4288

To explore the differences in microbial community distribution and the influences of water quality on the correlation of microbial community diversity distribution, the biofilms and bulk water in 10 typical corrosive segments in actual gravity flow drainage pipes were sampled as the research objects. The diversities of microbial communities in corroded areas were presented by high-throughput sequencing. The results showed the microbial community structures in these 10typical corrosive parts were basically similar. Proteobacteria were the dominant bacteria in phylum level, followed by Actinobacteria. Alpha-proteobacteria and Beta-proteobacteria account for 43.56% in class level. In genus level, Sulfate reducing bacterium caused severe localized corrosion in pipes, including Desulforhabdus, Desulfuromonas and Desulfobacter. RDA Environmental impact factor analysis pointed out there was certain correlation between sulfuretted hydrogen, dissolve oxygen and microbial community in phylum level. Besides, ammonium ion, pH and COD are the main chemical factors in class level which have correlations with microbial communities.

drainage pipe；microbial community；high-throughput sequencing；pipe corrosion

X172

A

1000-6923(2018)11-4284-05

申屠華斌(1991-),浙江金華人,男,浙江大學(xué)碩士研究生.主要從事給排水設(shè)計與研究工作.發(fā)表論文3篇.

2018-07-23

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51678520);水體污染控與治理國家科技重大專項資助項目(2017ZX07201004)

* 責(zé)任作者, 教授, Liujingqing@zju.edu.cn