环境因子对污水微生物丰度及多样性的影响

尤俊豪 宗永臣 王 俊 傅椿惠 唐世龙

(西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000)

微生物作为地球上生物多样性最丰富的群体[1]，在生态循环中扮演众多重要角色，其中一个角色就是在污水处理厂的污水净化过程中扮演去除水中有害物质的消解者。随着生物测序技术的不断发展，使我们能够了解污水处理厂微生物群落的丰度、多样性等，并探索微生物群落与处理效率之间的关系。作为污水净化过程的主导者活性污泥是一个高度复杂的微生物群落，其中微生物的丰度和多样性直接影响去除效果，Chao指数、Shannon指数的高低直接代表微生物丰度及多样性的高低[2-4]。但微生物丰度和多样性又易受环境因素的影响[5-8]。因此通过揭示环境因素对微生物的影响，对后期提高污水去除效率和污水处理厂的运行优化有指导作用。

本文通过收集已发表文章的数据，共收集28个城市的68座污水处理厂的纬度、海拔、温度、进水COD、NH3-N、TN、TP指标和微生物丰度、多样性的Chao指数、Shannon指数，及门水平下的优势菌门，其中处理工艺统属于生物法。运用多种分析方法来分析环境因素对污水处理厂微生物丰度及多样性的影响程度，为提高污水处理厂运行效率提供理论基础。

1 数据收集与处理

1.1 数据收集

在科学网、谷歌学术上输入关键词“Wastewater microorganisms”进行文献搜索，对收集后的文献进行选择。选择标准如下：(1)具有二级处理的全规模污水处理厂(不考虑中试规模和实验室规模的废水处理系统)。(2)采用的测序技术尽可能保持一致。(3)文章数据具有Chao指数、Shannon指数以及纬度、海拔、温度、污水处理厂进水指标。在收集到28个城市102座污水处理厂数据后，又按照数据测试的时间前后和每个城市相同工艺只取两个样本为标准进行筛选。最后从8篇文献中筛选出68座污水处理厂，并获得相应的数据[9-16]。

1.2 数据处理

对于收集的数据中缺失纬度或者海拔的样本，通过文献中提供的纬度或者污水处理厂地点名字在www.qvdv.com网站查询到相应的纬度或海拔。使用origin2018和IBM SPSS Statistics 23软件对数据进行二阶多项式拟合分析、单因素方差分析、冗余分析和做图。

2 结果与讨论

2.1 纬度对微生物群落丰度与多样性的影响

本次纬度涉及范围为18.23 °N～45.82 °N,跨越低纬度与中纬度。在图1中显示，随着纬度的上升，微生物丰度Chao指数与Shannon指数呈波浪式趋势，Chao指数的变化趋势更规律，表明在纬度的影响下，微生物丰度和多样性的变化存在一致性。在进行单因素方差分析中结果显示纬度对Chao指数和Shannon指数都有显著影响(P<0.01,P=0.012)。其中中纬度(30°N～60°N)的平均Chao指数和Shannon指数比低纬度(<30°N)高，这与Lu等[7]研究结果一致。同时也再次表明污水处理厂的微生物中不存在LDG模式(从高纬度到赤道的生物多样性增加的模式)[17],因为污水处理厂不是自然生态系统，是在严格的工业管理模式下运行，出水质量高，是依赖于运行条件的稳定性，因此污水处理厂不存在LDG模式。在基于最小二乘回归进行二阶多项式拟合的图2中，Chao指数和Shannon指数分别以4000和6为分界线。在结合所查询每个污水处理厂所处的气候分析发现在Chao指数4000以上和Shannon指数6以上几乎都属于亚热带季风气候,而气候类型被认为受纬度和海拔的影响[18]，又因为这些样本的采集是在夏季，亚热带季风气候夏季的平均温度在20℃以上，这有利于细菌的繁殖。表明纬度主要通过对气候类型的影响进而影响微生物群落丰度和多样性。

图1 不同纬度下的Chao指数与Shannon指数

图2 对不同纬度下Chao指数与Shannon指数的拟合曲线

2.2 海拔对微生物群落丰度与多样性的影响

海拔是影响污水中微生物丰度与多样性的因素之一[19]。我们把海拔小于100米划为低海拔，100米至500米划为中海拔，大于500米划为高海拔。图3(a)中看出，中海拔的Chao指数最高，其次是低海拔、高海拔，低海拔和中海拔的Chao指数随海拔变化趋势相同。海拔高会导致温度低，研究表明温度低，其微生物丰度有所下降[20]。在高海拔处我们看到1500米时，微生物丰度呈直线下降，这是因为在高海拔地区，海拔1500米是污水微生物丰度的一个阈值[21]。在图3(b)中，方差分析结果表明海拔高度与微生物群落丰度指数差异显著(P<0.01)。低海拔与中海拔、高海拔之间都有显著差异。在微生物多样性Shannon指数中也发现，低海拔与中海拔的变化趋势有相似，高海拔微生物多样性最低。这是因为高海拔地区空气相对稀薄，大气悬浮颗粒物浓度低，到达高原表面的太阳紫外线辐射衰减较小，较高的紫外线强度会破坏微生物的DNA或RNA分子结构，导致海拔高的污水处理厂中微生物多样性降低[22]。在图3(d)中显示海拔高度与多样性指数不显著相关(P=0.14149)，这与之前的研究结果不同[7]。可能因为高海拔污水处理厂观察数据较少，测序深度的差异所造成。中海拔与高海拔差异极其显著，低海拔与高海拔之间差异不显著。上述分析说明海拔对污水微生物丰度的影响比多样性的影响更显著。低海拔和中海拔在丰度和多样性受海拔变化的趋势存在相似性，高海拔地区受海拔变化的影响更大。

图3(a) 不同海拔下的Chao指数

图3(b) 单因素方差分析不同组间海拔下Chao指数的相关性

图3(c) 不同海拔下的Shannon指数

图3(d) 单因素方差分析不同组间海拔下Shannon指数的相关性

2.3 温度对微生物群落丰度与多样性的影响

温度是影响污水处理厂微生物群落多样性的重要参数[23]。图4显示，温度对微生物丰度和多样性都有显著影响(P=0.042，P=0.024)。从拟合曲线看出，微生物丰度和多样性在15℃～25℃之间最高，这与郝凯越等[24]、Fan等[25]、Zong等[26]研究结果相同。这个温度区间又刚适合硝化菌和反硝化菌的生长。同时发现这个温度区间多数属于亚热带季风气候，这与上述纬度对微生物丰度和多样性影响的分析结果相同，表明纬度、气候、温度三者之间对微生物丰度和多样性的影响存在相互作用。低温下(5℃左右)，微生物的丰度和多样性最低。因为低温会严重抑制微生物活性、底物利用率和细胞生长，还会进一步导致微生物代谢受到抑制[27-29]。同时有研究表明，污水温度越低，微生物活性越低，每降低10℃，微生物活性降低50%[30]。随温度的增加，微生物丰度和多样性呈先增后减趋势。合适的温度不仅利于微生物的生长活性，而且还有利于硝化和反硝化速率[31]。因此合适的温度是污水处理厂重要的操作参数。

图4 对不同温度下Chao指数与Shannon指数的拟合曲线

2.4 进水水质对微生物群落丰度与多样性的影响

理化参数是影响污水处理中微生物群落的重要环境因子[32]。Zhang等[33]、Xu等[12]研究表明进水TP、COD、NH3-N与微生物群落显著相关。本次我们从进水COD、NH3-N、TN、TP四个指标进行分析。图5冗余分析显示，四个进水指标中NH3-N的箭头最长，其次是TP、COD、TN，箭头越长对样本的丰度影响越大，即NH3-N的影响最大。已有研究证明进水NH3-N浓度影响活性污泥系统中氨氧化菌的丰度以及氨氧化菌与硝化菌之间的平衡[34]。多样性Shannon指数与进水COD、NH3-N、TN、TP的浓度呈较强的正相关，而丰度Chao指数相对于多样性Shannon指数受进水指标浓度的影响小，四个进水指标相互之间呈正相关。同时还考虑了碳氮比(COD/TN)，因为有研究表明C/N比也是影响群落结构变化的主要因素之一[35]。图6的拟合曲线显示，丰度Chao指数随C/N比的增加呈现上升趋势，这与Huang等[36]、Zhou等[37]的研究表明微生物丰度与C/N比之间有正相关性相同。多样性Shannon指数随C/N比的增加呈略微下降趋势。这与Gu等[38]在分析不同C/N比下的畜禽养殖废水处理反应器中微生物群落的结果表明高C/N比废水中细菌的多样性较高有所不同。原因可能因为污水的组成成分不同所造成。例如工业污水和生活污水混合的特性在维持好氧颗粒污泥中微生物的丰富度和均匀度方面发挥了重要作用[11]；进水来源相似的污水处理厂微生物群落具有聚集的趋势[39-40]。综上所述，进水水质与进水组成成分共同作用影响着污水处理厂微生物群落丰度与多样性。

图5 进水指标与Chao指数、Shannon指数的冗余分析

图6 对不同C/N下Chao指数与Shannon指数的拟合曲线

2.5 环境因子对微生物群落丰度与多样性的影响排序

图7显示，环境因子对微生物Chao指数和Shannon丰度有显著影响(P=0.001)。纬度对污水处理厂微生物的丰度和多样性影响程度最大，其次是温度、TP、海拔、NH3-N、TN、COD；微生物丰度Chao指数受纬度、温度、海拔的影响更强，多样性Shannon指数受NH3-N、COD、TP、TN的影响更强。同时还显示出地理环境位置(纬度、温度、海拔)对微生物丰度和多样性的影响程度大于理化参数(进水TP、NH3-N、COD、TN)的影响。众所周知，微生物是受多因素之间相互作用的共同影响。例如纬度通过气候影响温度，温度又受海拔的影响，进而影响微生物群落；图中也显示出海拔与进水TN、TP、NH3-N存在显著相关性，温度与进水COD也存在显著相关性。这也体现出环境因子互相之间的相互关联性。我们还发现，在门水平下优势菌门丰度最高的是变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actionbacteria)等，这与房平等[19]研究结果相似，也说明这些优势菌门在污水活性污泥微生物中的绝对地位，也为污水生物处理系统的性能和稳定性提供支持。

图7 不同环境因子与Chao指数、Shannon指数的冗余分析

3 结论与展望

作为污水污染物去除中的主要贡献者微生物，在分析其受环境因子的影响结果表明：环境因子对微生物的丰度和多样性有显著影响。地理环境因素大于理化参数的影响，纬度对微生物丰度与多样性的差异贡献最大，变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actionbacteria)等是污水处理系统中的优势菌门。了解活性污泥中微生物丰度和多样性受环境因素的影响程度对污水处理厂实际运行的优化有极其重要的指导作用。同时也促进了研究者对环境因子与微生物之间的关联性了解。

未来污水处理厂活性污泥微生物的研究方向应关注以下几点：(1)研究环境因子对各种代谢通路机理的影响，以便更深入的了解各种污染物的去除与环境因子、代谢通路三者之间的相互作用。(2)对微生物功能基因与环境因子之间的影响进行深入探究，因为功能基因的改变直接影响污水处理厂污染物的去除效率。(3)加强污水微生物中病毒功能与环境因子的关系研究，因为有研究表明病毒对污水微生物的群落有显著影响[41]，可为污水处理厂病毒风险防控和提高污水净化效率提供理论基础。