第一作者：胡意凡
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122672
• 营养水平升高促进生物膜的生长，提高生物膜不稳定性。
• 铁-锰重金属胁迫在初期会促进生物膜的形成，但长期胁迫下呈现抑制。
• 长时间的铁-锰重金属胁迫会增加不锈钢管道上的VBNC细菌数量。
• 与不锈钢相比，聚氯乙烯管道可减少生物膜的形成。
长距离输水管道中生物膜是病原体增殖的栖息地，生物膜的形成对水质构成重大风险。管道中生物膜的形成受不同的营养水平和重金属胁迫等因素的影响。虽然已有大量研究调查了饮用水输配系统（DWDS）中生物膜的形成，但对营养丰富程度更高的原水输配系统（RWDS）的研究仍然有限。管道材料在不同原水条件下对生物膜形成动态的影响仍然难以捉摸。本研究调查了营养供应和铁锰应力对生物膜发展、结构稳定性、细菌群落组成以及可存活但不可培养（VBNC）细菌的影响。通过使用具有不同营养条件的反应器，我们观察到营养水平的增加会促进生物膜的生长，但会导致更大的不稳定性，增加二次污染的风险。值得注意的是，超过临界阈值的营养升级对生物膜群落组成的影响越来越小。此外，铁锰胁迫在初期会增强微生物的粘附性和代谢活性，但随着时间的推移，最终会抑制生物膜的形成，并增加生物膜中VBNC细菌丰度，尤其是在不锈钢（SS）表面。我们的研究结果还强调了选择管道材料的重要性，与SS相比，聚氯乙烯（PVC）可减少生物膜的形成，因此更适合在金属含量较高的环境中输送原水。这些见解可以为管理输水系统中与生物膜相关的问题提供宝贵的指导。此外，还强调了谨慎控制营养水平和材料选择的必要性，以确保远距离供水安全。 图1 文章摘要图
我们通过设置四组连续流动的BAR反应器，模拟了原水长距离输水管道中的环境。参考《地表水环境质量标准》（GB3838−2002），通过向原水中额外投加营养物质和铁锰化合物等方式，模拟不同营养条件和铁锰胁迫下的水质条件，每个反应器中各包含七张聚氯乙烯（PVC）载片和七张不锈钢（SS）载片。定期更新反应器中循环的原水，模拟了10天的管道运输条件，连续运行10个月。定期收集生物膜样本，并通过物理化学和微生物学方法分析生物膜的性质，包括生物膜结构形态、微生物活性和数量、胞外聚合物分泌和生物膜群落组成等，并进一步检查了不可培养菌的存在以及生物膜群落组装过程。 图2 在不同营养水平和重金属应力条件下，使用四组反应器模拟载片表面生物膜随时间生长的情况。这四种反应器分别为原水反应器（RW）、中营养级反应器（MN）、高营养级反应器（HN）和铁锰重金属胁迫反应器（FMS）。
培养 7 个月后，高营养组（HN）的生物膜厚度达到原水对照组（RW）的4倍（图2B），HN组生物膜结构更松散（图2A）。胞外蛋白和多糖的分泌在不同营养水平下保持相对稳定，依次为RW组、MN组和HN组（图5A和5B）。在RW反应器中，营养限制促使生物膜微生物分泌更多的EPS，导致更强的生物膜粘附、扩大表面积并增加与营养基质的接触，有助于相对稳定性。而DWDS相关的研究显示较高的营养水平会导致EPS分泌增加，这种差异可能归因于RWDS中相对于DWDS更高的营养水平。降低长距离输水管网原水进水中的营养物质丰富程度有益于管壁生物膜稳定，避免生物膜脱落造成二次污染。 图3 通过OCT观察不同营养水平和铁锰胁迫下生物膜的形态变化。（A）：生物膜在第4个月和第7个月时的OCT扫描图像：不同营养水平反应器中的生物膜厚度。（C）：铁锰胁迫和原水条件下的生物膜厚度。
铁和锰是常见的重金属污染物，它们在地下水和地表水中广泛存在。在培养的第一个月，FMS组反应器PVC和SS载片生物膜HPC分别达到RW组的5.83倍和3.00倍，此时FMS组的ICC水平也高于RW组。培养1至2个月，PVC载片表面的ATP浓度和胞外聚合物（EPS）分泌量迅速增加，ATP浓度在培养第2月达到峰值155.21±3.60 pmol/cm2（图4B和5）。铁锰胁迫初期，微生物的粘附和代谢活性得到促进，一定程度上加速了生物膜的形成。
培养7个月后，FMS反应器中PVC和SS载片上的生物膜厚度分别达到最大值42.76±4.23 μm和43.00±2.54 μm（图3C），显著小于RW反应器（p<0.05）。FMS组每单位面积的细胞外蛋白浓度在PVC载片上相对于RW组高出1.74倍，在SS载片上高出1.54倍（图5E）。同样，细胞外多糖浓度分别高出1.13倍和1.47倍（图5F）。RW组PVC和SS载片表面的ATP水平分别比FMS组平均高61.14%和120.52%（图4B）。长期暴露于铁锰重金属胁迫下，管壁生物膜的生长受到抑制，生物膜变得更加致密和粘稠。 图4 不同条件下反应器中生物膜的生物量量化，以单位生物膜面积归一化。（A）、（C）和（E）：不同营养水平反应器中ATP浓度、VBNC状态细菌数量和活菌比例的比较。（B）、（D）和（F）：有铁锰胁迫（FMS）和无铁锰胁迫（RW）反应器中ATP浓度、VBNC状态细菌数量和活菌比例的分析比较。
在长距离输水管道中，常用的管道材料包括SS和PVC。培养7个月后，RW组PVC载片上的ATP浓度始终比SS载片高11.67-30.40%（图4A），而ICC浓度始终低12.33-80.79%。PVC和SS载片上成熟生物膜中VBNC细菌的最高数量达到（1.90±0.15）×106 cells/cm2和（3.50±0.08）×106 cells/cm2（图4C）。与SS管道相比，PVC管道上的生物膜形成较少，这可能是由于PVC的表面特性和化学稳定性导致。
值得注意的是，FMS组SS载片VBNC细菌平均计数达到（1.19±0.22）×107 cells/cm2（图4D），达到HPC值的127.76倍。此外，SS载片上的平均VBNC计数比PVC高5.51倍，比RW组中的SS高6.64倍。铁锰胁迫下SS管材表面生物膜VBNC菌含量激增，可能增加水中VBNC细菌的数量。在含有重金属的原水输送情景中，需要考虑使用SS管材可能带来的VBNC菌威胁。总体而言，使用PVC管道可能更有利于控制生物膜的形成，从而保障水质安全。 图5 反应器中不同载片上的生物膜在不同条件下的胞外蛋白和多糖分泌情况。（A）和（B）：不同营养水平反应器中生物膜单位面积的EPS分泌量（μg/cm2）。（C）和（D）：与无铁锰胁迫的反应器相比，铁锰胁迫下反应器中生物膜单位面积的EPS分泌量（μg/cm2）。（E）和（F）：分析铁锰胁迫对PVC和SS载片上生物膜中EPS分泌（μg/CFU）的影响。
通过16s rRNA gene扩增子测序分析生物膜菌群组成。RW组生物膜在运行7-10个月达到相对稳定，PVC载片上Pseudomonas和Acinetobacter的丰度增加，比例分别达到31.34-53.30%和8.91-32.67%（图6I）。SS载片上Sphingomonas的丰度在生物膜成熟后也显著增加，达到9.68−12.23%。在MN和HN组中，Vogesella、Rhodobacter和Bacillus的相对丰度也有所提高（图6J）。需要注意的是，Pseudomonas和Acinetobacter被认为含有多种机会致病菌，PVC载片表面成熟生物膜可能比SS载片含有更多的机会性病原体。类似的发现也存在DWDS相关研究中，PVC和PE管中的生物膜以Proteobacteria为主，比铸铁管更有可能富集病原菌。由于生物膜在长距离配水网络中广泛且长期存在，携带机会性病原体的生物膜的脱落可能会带来额外的微生物安全风险。 图6 反应器中生物膜细菌群落的多样性和分类组成。生物膜细菌群落在一系列培养时间（A）、载片材料（B）、不同营养水平（C）和铁锰应力（D）下的香农指数。不同培养时间（E）、载片材料（F）、不同营养水平（G）和铁锰胁迫（H）下生物膜细菌群落的无约束主坐标分析（PCoA）。不同生长时间（I）、不同营养水平（J）和铁锰胁迫（K）下RW组前15个菌属的相对丰度。"A"、"B"、"C"和"D"分别代表RW、MN、HN和FMS组。例如，"PVC_A"指的是RW组中PVC载片上的生物膜。
生物膜群落的组装是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括随机过程和确定性过程。使用iCAMP模型预测生物膜群落组装的机制。在4组反应器中，分散限制是影响生物膜群落组装的主要因素，占64.53%-90.67%，生物膜组装具有高度的随机性，这表明生物膜群落的形成受到微生物来源和分布的限制。
相对于其他营养等级反应器，高营养等级HN反应器中随机过程占群落组装生态过程的90%以上（图7），环境的选择压力会降低，生物膜菌群组装主要由微生物在载片上的初始粘附驱动。在铁锰胁迫下，与RW组相比，HD和DR过程占比上升，尤其是DR较RW组PVC载片增加了7.31%，SS载片增加了10.7%。图7 不同营养水平、铁锰胁迫情况下两种载片材料上生物膜细菌群落组装生态过程的比例意义。HeS、HoS、DL、HD和DR分别代表异质选择、同质选择、扩散限制、同质化扩散和漂移。
综上，本研究探究了管道材料、营养水平和重金属胁迫如何影响长距离输水网络中生物膜的形成。铁锰胁迫在初期具有促进生物膜形成的作用，但长期暴露下抑制生物膜生长和微生物活性，并极大增加SS管材表面VBNC细菌的数量。此外，PVC管道生物膜生物量相对SS材质较少，使其成为输送高铁锰含量原水的更合适选择。研究为确保原水管道长距离运输过程中的水质安全提供理论基础。![]()
施鹏，博士，南京大学副教授，研究方向为城市水系统新污染物健康风险识别与阻控，重点围绕化工园区废水减污降碳，饮用水健康风险评估与控制等领域开展应用基础研究工作。在环境领域一流期刊Environ. Sci. Technol.及Water Res.等杂志发表SCI论文30余篇，第一发明人授权中国专利7项，PCT专利、美国/欧洲/日本专利7项。主持国家自然科学基金，国家重点研发子课题等项目十余项，建立相关示范工程3项。担任中国水协青年委委员，江苏省新污染防控专业委员会委员等兼职，并获2022年首创水星新人奖银奖，2024年日内瓦国际发明展金奖等。
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