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,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.上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200061；2.浙江大學建筑工程學院,浙江 杭州 310058；3.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司,浙江 杭州 310012；4.中國聯合工程有限公司,浙江 杭州 310022)

通過在實際重力流排水管道中選取10個典型的腐蝕區域作為研究對象,通過對排水管道對應腐蝕區域的生物膜和水體進行采樣,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域微生物群落的多樣性.結果表明,在排水管道中10個典型腐蝕區域中的微生物群落分布結構基本相似,在門水平上主要是變形菌占絕對優勢,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重的局部腐蝕,包含有Desulforhabdus, Desulfuromonas, Desulfobacter.RDA環境影響因子研究發現,在門水平上硫化氫、溶解氧與微生物群落存在一定的相關性,在綱水平上與微生物群落存在相關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

排水管網系統是城市重要的基礎設施,擔負著城市雨水、生活污水以及工業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構,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.

不少學者研究發現,管道中的微生物參與氧化還原反應促使腐蝕過程更加復雜化,同時產生異味氣體、腐蝕等危害[4-5];在大暴雨天氣可能導致管道局部塌陷,包含細菌和病毒等大量污染物質將會溢出,危害公共健康安全、增加環境污染風險[6-7];因此,了解排水管道中腐蝕微生物的分布和種群結構特征,對污水系統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,尤其是各種環境中都能存活且對管道存在嚴重腐蝕優勢菌種非常重要,可在前期有效預防排水管道破裂、坍塌等事故的發生.以往研究復雜的微生物群落主要針對進入處理廠的微生物種群結構[8-9]和分布對硫循環功能菌群內的排水管道生物膜[10-11],其中大部分使用的是實驗室規模的反應器模擬試驗.但是,在實際污水管道中發生的生化反應其實是相當復雜的動態的過程,附著在排水管道內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境,這種相對的復雜環境對于微生物群落生長影響狀況尚未明確.復雜的生長環境條件可能影響微生物群落結構與種類,或將導致具有腐蝕嚴重功能的微生物群落大量滋生,破壞管道結構,繼而引發嚴重的污水管道問題.

因此,本文將對實際重力流排水管道展開研究,對腐蝕嚴重的典型區域展開調查,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鍵環境影響因子.

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),該管段建設于20世紀90年代,至今已經20余年,管道總長約20km,混凝土材質,管徑為DN800~DN1500之間,由于管段出現不同程度的腐蝕、破裂需對其進行非開挖修復,在進行修復前進行CCTV檢測(即管道閉路電視Closed Circuit Television),本實驗根據檢測報告篩選出10個典型的腐蝕嚴重的管段進行分析,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行生物膜采樣:使用經過酒精消毒的刮刀對管道腐蝕處周邊的生物膜進行取樣,對采集的樣品進行定容,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和生物量測定;另1份保存在-20℃冰箱中,用于后續分子生物學測定.

1.3 化學指標測定

使用HACH HQ30D型單路輸入多參數數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;使用重鉻酸鉀標準法檢測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行高通量測序,采用Illumina測序儀測序.獲得原始數據后,首先對原始數據進行質量控制(序列長度200~1000個堿基對,連續相同堿基對N<6;模糊堿基N<1,Q<25)獲得最終用于分析的序列,然后應用QIME軟件,根據序列相似度將序列歸為多個操作單元格(OTU)[12],根據OUT列表中的各個樣品物種豐富度情況應用軟件mothur進行操作.

1.5 環境影響因子RDA

環境影響因子分析就是用來確定環境變量與微生物種群結構之間的顯著相關性.

采用統計分析應用軟件CANOCO 4.5對Illumina高通量測序數據和環境因子數據進行統計分析.DCA用來表示物種的分布梯度長度,梯度的長度小于3,并作為一個線性數據分布獲得,RDA進行進一步分析.

2 結果與討論

2.1 不同空間位置上微生物群落的分布

從數據中可以看到在10個典型腐蝕區域管道內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勢,在60.64%~72.69%范圍之間,其中a5和a62個區域相對含量最高達到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a7兩個腐蝕區域管道中Actinobacteria(放線菌門)的數量最高達到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域,生長繁殖受到影響,可能不同區域上環境影響因子抑制或促進該菌門的生長.

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(藍細菌)約為0.54%~1.72%, Planctomycetes(浮霉狀菌)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勢,因此其含量相對較少.

圖3 10個典型腐蝕區域微生物群落結構組成

分析綱水平上的數據如圖3(b)可以發現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%,這些數據表明這些菌在不同空間上分布差異性較大,易受環境因素的影響.

在屬水平如圖3(c)上的微生物群落按功能進行歸類發現生物膜中含有腐蝕細菌有SRB(硫酸鹽還原菌)、SOB(硫氧化菌)、AOB(氨氧化菌)、NRB(反硝化細菌)、IOB(鐵氧化菌)、IRB(鐵還原菌)等.通過統計分析發現SRB在總的菌屬中占有較大相對含量,達到28.54%~42.43%之間,有的學者有研究表明SRB的存在將會對管道局部造成嚴重腐蝕,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),這些細菌會將硫酸根還原成硫化氫氣體,進而氧化成硫酸,對管道頂部造成嚴重腐蝕.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.在管道內壁表面遭到腐蝕,水泥脫落,其中的鋼筋逐漸裸露出來,此時,IOB菌的存在將會促進金屬的腐蝕,對于管道內壁腐蝕嚴重,損壞比較大的管道腐蝕區域點如a2、a4、a6和a10區域的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,腐蝕越嚴重的觀點.

3.2 微生物群落與環境因子之間的關聯性

研究表明排水管道中的微生物群落受環境因素的影響,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對環境因素和微生物群落進行分析,如下圖所示(a)表示在門水平上微生物群落與環境因子之間的關系,分析數據表明H2S氣體與Bacteroidetes(擬桿菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Proteobacteria(變形菌門)存在顯著正相關性,與Actinobacteria(放線菌門)和Gemmatinadetes(芽單胞菌門)為顯著負相關關系.而與溶解氧DO存在顯著相關性的微生物群落為Cyanobacteria(藍細菌門)和Proteobacteria(變形菌門),與Actinobacteria(放線菌門)和Gemmatinadetes(芽單胞菌門)同樣為為顯著負相關關系.

圖4 水質與微生物群落之間的RDA

在綱水平上發現與微生物群落存在顯著相關性的主要環境因素是銨根離子、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)之間為顯著正相關系,而與Betaproteobacteria(-變形菌綱)、Actinobacteria(放線菌綱)為顯著負相關關系.銨根離子與Gammaproteobacteria(-變形菌綱)、Acidobacteria(酸桿菌門)存在顯著正相關關系,與Alphaproteobacteria(-變形菌綱)和Deltaproteobacteria(-變形菌)為顯著負相關關系.COD與Betaproteobacteria(-變形菌綱)和Deltaproteobacteria(-變形菌)之間為顯著正相關關系,與Actinobacteria(放線菌綱)和Flavobacteriia(黃桿菌綱)則為顯著負相關關系.

3 結論

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環境影響因子研究發現在門水平上H2S、DO與微生物群落存在一定的相關性,在綱水平上與微生物群落存在相關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,浙江大學碩士研究生.主要從事給排水設計與研究工作.發表論文3篇.

2018-07-23

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

* 責任作者, 教授, Liujingqing@zju.edu.cn