水源水与深度处理工艺对供水系统中细菌群落及抗性基因影响研究

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随着城镇范围的不断扩张、城乡一体化供水战略的实施,多水源、长距离、复杂管网供水逐渐成为常态。面对不同水源中微生物和抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Gene,ARGs)污染风险,根据不同水源水选择合适的深度处理工艺是解决此类问题的关键。但目前关于水源水和深度处理工艺的研究受限于变量较多,无法展开系统的比较分析。同时,此前研究集中在对出厂水水质的分析,缺少对后续供水管网中微生物和ARGs的影响研究,无法评价用户龙头水水质安全,缺乏实际应用价值。因此,本文以江苏某地(1)多水源、相同深度处理工艺和(2)同水源、不同深度处理工艺两组供水系统为研究对象,应用高通量测序,高通量qPCR(High-Throughput Quantitative PCR,HT-qPCR)和流式细胞仪等技术,系统地探究水源水和深度处理工艺对水厂出水和供水管网中饮用水微生物和ARGs的影响。同时,利用多深度处理工艺并联的中试系统,探究深度处理过程抗生素抗性基因组和细菌群落结构的变化特征及其潜在的相互联系。主要研究结论如下:(1)利用流式细胞仪和16S rRNA测序技术,结合微生物溯源等分析技术,研究不同水源对饮用水处理效果和供水系统中微生物安全的影响。结果表明,不同水源水在经过以臭氧-活性炭为核心的完整水处理后,均能实现达标出水。虽然采用相同的处理工艺,但水源水的变化可能导致出水中存在大量具有再生潜力的膜损细菌,导致管网微生物稳定性较差。根据Source Tracker分析表明,水源水的微生物经过臭氧-活性炭处理后对出厂水微生物贡献率仅为0.30~1.08%,出厂水对管网水的贡献沿程下降66.9~92.5%。揭示了水源水中的微生物群落在经过系列处理工艺后,对微生物群落结构没有显著贡献,而水处理工艺对水体微生物群落起到了重要的重塑作用,并最终决定了出水的微生物特性,管网运输过程则最终影响龙头水微生物群落结构。此外,通过对水体中不同粒径的微生物群落分级富集和分析,揭示了颗粒相关细菌具有更高丰度的假单胞菌。双水源的供水模式使得两座水厂及其供水管网中基础水质存在差异,受频繁的水质、水力扰动影响,供水交汇区存在更高丰度的假单胞菌。因此,为了保障双水源供水地区饮用水微生物安全,应在充分了解水源水质的情况下选择适合的处理工艺、保障管网微生物稳定性,并需要加强对颗粒相关细菌和供水交汇区的潜在微生物风险监测与控制。(2)在中试系统中,利用高通量测序技术和宏基因组学等方法,探究在同一水源中,以季铵盐树脂和臭氧为核心的两类深度处理工艺对细菌和ARGs的影响。实验结果表明,对于相同的砂滤出水,单一深度处理工艺能去除65.2~66.4%的细菌,耦联工艺能去除96.7~98.5%的细菌。其中,季铵盐树脂及其与氯耦联工艺表现出了较好的广谱杀菌效果,可避免ARGs的富集。此外,本研究从所有识别出的ARGs中筛选出了18种具有代表性的ARG,这些代表性ARGs不仅在所有深度处理工艺中都难以被去除,而且在不同处理工艺出水中是影响力较大的显著差异物种,具有较大的健康风险,可作为未来饮用水ARGs风险评价数据库中的重要组成部分。同时,基于网络分析揭示了深度处理过程中的细菌群落演替可能是ARGs组成变化的主要驱动力,加深了关于深度处理对细菌和ARGs作用机制的理解,为实际工程应用中追溯微生物和ARGs来源、选择合适深度处理工艺提供理论指导。(3)利用16S rRNA测序和高通量qPCR技术,探究在实际工程应用中,臭氧-活性炭和季铵盐树脂工艺对水厂出水和供水管网中微生物群落以及ARGs绝对丰度的影响。实验结果表明,以两种处理工艺为核心的处理流程均能高效去除99.7%以上的细菌,并削减71.4~90.0%的ARGs绝对丰度。但是,出厂水在管网运输过程中,α-多样性开始回升,ARGs检出种类增加且绝对丰度上升,并且细菌群落中出现新的优势种属,揭示管网运输可能是细菌和ARGs的重要来源。值得强调的是,管网中ARGs绝对丰度与细菌数量显著相关(p<0.05),揭示了微生物的增殖与ARGs绝对丰度的增加密切相关,只有提高细菌去除效果和管网微生物稳定性,才能更好地控制ARGs的富集和扩散。由于对有机物降解和对细菌去除机理不同,深度处理采用季铵盐树脂的水厂出水微生物稳定性更好。因此,季铵盐树脂在实际工程中表现出了较高的应用价值。
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