The response mechanism of microorganisms to the organic carbon-driven formation of black and odorous water  

微生物對(duì)有機(jī)碳驅(qū)動(dòng)黑臭水體形成的響應(yīng)機(jī)制  

來(lái)源：Environmental Research, Volume 231, 2023, Article 116255  

《環(huán)境研究》第231卷，2023年，文章ID 116255  

 

摘要內(nèi)容  

摘要指出黑臭水體的形成受有機(jī)質(zhì)和環(huán)境因素共同影響，但微生物在其中的作用研究有限。通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶解性有機(jī)碳（DOC）達(dá)到50 mg/L時(shí)，水體變黑發(fā)臭。此過(guò)程中：  

水體微生物群落結(jié)構(gòu)顯著變化，脫硫菌門(mén)（Desulfobacterota）相對(duì)豐度顯著增加，其中脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）為主要優(yōu)勢(shì)菌屬。  

 

水體微生物α多樣性顯著下降，硫化合物呼吸功能增強(qiáng)；而沉積物微生物群落變化較小，功能保持穩(wěn)定。  

 

偏最小二乘路徑模型（PLS-PM）表明，有機(jī)碳通過(guò)降低溶解氧（DO）和改變微生物群落驅(qū)動(dòng)黑臭形成，且水體中脫硫菌門(mén)的貢獻(xiàn)高于沉積物。  

 

研究提出可通過(guò)控制DOC濃度和抑制水體中脫硫菌門(mén)生長(zhǎng)來(lái)預(yù)防黑臭水體形成。  

 

研究目的  

明確有機(jī)碳驅(qū)動(dòng)下微生物在水體和沉積物中對(duì)黑臭形成過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制，揭示關(guān)鍵微生物群落及功能變化特征。  

 

研究思路  

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建水-沉積物微生態(tài)系統(tǒng)（沉積物深度60 cm，上覆水深度80 cm），添加葡萄糖模擬不同DOC濃度（0、10、25、50、100、200 mg/L）。  

 

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：  

 

理化參數(shù)：DO、pH、氧化還原電位（ORP）、濁度、葉綠素a、H?S、SO?2?等（圖1）。  

 

 

氣體排放：CO?和CH?排放速率（圖1K、L）。  

 

微生物群落：選取典型組別（0、25、50、200 mg/L DOC）的水體和沉積物樣本，進(jìn)行16S rRNA高通量測(cè)序（圖2、3）。  

 

 

 

微生物功能：通過(guò)FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)功能（圖4）。  

 

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合物化參數(shù)與微生物數(shù)據(jù)，利用PLS-PM模型解析驅(qū)動(dòng)路徑（圖6）。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義  

理化參數(shù)（圖1）：  

 

DO、ORP、H?S：用于表征水體缺氧程度和還原性物質(zhì)生成。  

 

濁度、葉綠素a：指示藻類死亡和懸浮顆粒物積累。  

 

意義：明確DOC≥50 mg/L時(shí)水體進(jìn)入黑臭狀態(tài)（DO<0.5 mg/L，ORP<-150 mV，H?S驟升）。  

溫室氣體排放（圖1K、L）：  

 

CO?和CH?排放速率。  

 

意義：證實(shí)有機(jī)碳降解加劇溫室效應(yīng)，且CH?排放滯后與硫酸鹽還原菌競(jìng)爭(zhēng)電子供體有關(guān)。  

微生物群落（圖2、3）：  

 

水體中脫硫菌門(mén)豐度（Desulfobacterota）及脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）變化。  

 

α多樣性指數(shù)（Chao1、Shannon）。  

 

意義：揭示DOC驅(qū)動(dòng)下水體微生物從好氧菌主導(dǎo)轉(zhuǎn)為厭氧菌（尤其是脫硫弧菌屬）主導(dǎo)，多樣性下降。  

微生物功能（圖4）：  

 

FAPROTAX預(yù)測(cè)的硫呼吸、硫酸鹽還原等功能。  

 

意義：水體微生物功能轉(zhuǎn)向硫化合物呼吸，沉積物功能穩(wěn)定性較高。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極原位監(jiān)測(cè)水體和沉積物的ORP和H?S（圖1G-J），意義在于：  

高時(shí)空分辨率：實(shí)時(shí)捕捉水-沉積物界面的氧化還原梯度動(dòng)態(tài)，準(zhǔn)確識(shí)別厭氧過(guò)程啟動(dòng)點(diǎn)（如DOC=50 mg/L組第15天ORP驟降至-103.35 mV）。  

 

揭示相間差異：發(fā)現(xiàn)H?S濃度在水體中顯著高于沉積物（最高達(dá)162.50 μmol/L），且水體ORP下降速率更快，表明有機(jī)碳對(duì)水體的直接影響更強(qiáng)。  

 

關(guān)聯(lián)微生物活動(dòng)：H?S峰值與脫硫菌門(mén)豐度增加同步（圖2B），直接驗(yàn)證硫酸鹽還原菌的代謝活性是黑臭形成的核心生物驅(qū)動(dòng)因素。  

 

量化閾值：結(jié)合ORP和H?S數(shù)據(jù)，明確DOC≥50 mg/L時(shí)水體進(jìn)入黑臭狀態(tài)（ORP<-150 mV，H?S>35 μmol/L），為預(yù)警提供關(guān)鍵指標(biāo)。  

 

結(jié)論  

閾值與驅(qū)動(dòng)機(jī)制：DOC≥50 mg/L驅(qū)動(dòng)水體黑臭，其程度與DOC濃度正相關(guān)。  

 

微生物響應(yīng)差異：  

 

水體微生物群落劇變：脫硫菌門(mén)（以脫硫弧菌屬為主）豐度顯著增加，α多樣性下降，功能轉(zhuǎn)向硫呼吸。  

 

沉積物微生物結(jié)構(gòu)及功能穩(wěn)定。  

關(guān)鍵路徑：PLS-PM模型（圖6）證實(shí)有機(jī)碳通過(guò)降低DO和改變微生物群落驅(qū)動(dòng)黑臭，且水體中脫硫菌門(mén)的貢獻(xiàn)（路徑系數(shù)0.53）高于沉積物。  

 

應(yīng)用建議：控制DOC輸入，并針對(duì)性抑制水體中脫硫菌門(mén)活性，可有效預(yù)防黑臭形成。