揭示曝气系统在废水处理厂中生物气溶胶排放率、颗粒大小及微生物组成中的作用

《Journal of Hazardous Materials》：Unveiling the role of aeration systems in the bioaerosol emission rate, particle size and microbial composition from wastewater treatment plants

生物气溶胶排放率、颗粒尺寸分布及微生物多样性受表面曝气（SA）和扩散曝气（DA）系统及环境因素（风速、温湿度）显著影响。SA系统因表面湍流产生更高浓度的 respirable 颗粒（0.43-2.1 μm），携带更多机会致病菌（如 Rhodococcus、Pseudomonas）和真菌孢子（Meyerozyma、Ascochyta），其排放率在春季达418.6 g/min；DA系统则排放更多大颗粒（>4.7 μm）且微生物多样性更广。研究揭示SA系统对健康风险更高，需针对性减排策略。

　　在当今的环境与公共卫生研究中，废水处理厂（WWTPs）作为生物气溶胶的主要来源，其对周边环境及人类健康的影响日益受到关注。生物气溶胶是指从生物来源释放到空气中的微小颗粒，这些颗粒可能包含细菌、真菌、病毒等微生物，以及它们的代谢产物和碎片。由于这些气溶胶具有较强的传播能力，它们在空气中可长时间悬浮，并可能通过呼吸进入人体，引发一系列健康问题，如哮喘、过敏性鼻炎、支气管炎等。此外，某些微生物还可能携带病原体，成为潜在的健康威胁。因此，研究不同类型的曝气系统对生物气溶胶排放特性、颗粒尺寸分布和微生物组成的影响，对于制定有效的防控措施至关重要。

本研究通过使用8级Andersen气溶胶冲击器和霰弹宏基因组学方法，探讨了表面曝气（SA）和扩散曝气（DA）系统对生物气溶胶排放率、颗粒尺寸分布和微生物多样性的具体影响。研究发现，SA系统在生物气溶胶排放率方面显著高于DA系统，尤其是在可吸入颗粒（0.43–2.1微米）中，这种颗粒能够深入肺部沉积，带来更高的健康风险。而在微生物组成方面，SA系统中某些机会性病原体的相对丰度也更高，这表明其在可吸入颗粒中的存在更为显著。相比之下，DA系统虽然排放率较低，但其微生物多样性更广，这可能与其稳定的曝气条件有关。

在实验设计上，研究团队选取了南非夸祖鲁-纳塔尔省的两个全规模废水处理厂，分别采用了SA和DA系统。通过在距曝气系统0米和100米处进行采样，研究者评估了生物气溶胶的排放与扩散情况。采样过程中，使用了非活性Andersen冲击器收集气溶胶样本，并通过气流速率和颗粒质量计算排放率。此外，研究团队还采集了活性污泥样本，以分析其对生物气溶胶中微生物组成的影响。这些样本被储存在冰上，并在实验室中进行DNA提取和霰弹宏基因组测序，以获取更全面的微生物信息。

通过霰弹宏基因组测序，研究团队获得了高通量的微生物数据，并结合统计分析方法，如冗余分析（RDA），探讨了生物气溶胶的微生物组成与环境因素之间的关系。研究发现，风速（WS）、相对湿度（RH）和空气温度（AT）对生物气溶胶的排放率和微生物组成具有显著影响。在SA系统中，RH与生物气溶胶排放率呈正相关，这表明在高湿度环境下，SA系统可能更容易产生生物气溶胶。而在DA系统中，RH与排放率呈负相关，这可能与DA系统较低的表面扰动有关。风速则在两个系统中均表现出对生物气溶胶排放率的正向影响，尤其是在春季和夏季。空气温度则对某些微生物的分布具有调节作用，如在SA系统中，夏季的高温环境促进了某些病毒和细菌的活跃，而在DA系统中，温度与微生物分布的关系则更为复杂。

值得注意的是，SA系统在近距离（0米）的生物气溶胶排放率较高，而随着距离的增加，其排放率逐渐下降。相反，DA系统在100米处的排放率略有上升，这可能与附近污泥处理设施的背景排放有关。研究还发现，微生物的组成随季节和颗粒尺寸变化而变化，其中春季的微生物多样性最高，这可能与风力较强的季节性特征有关。此外，颗粒尺寸对微生物的分布具有重要影响，较小的颗粒（0.43–2.1微米）通常包含更多的微生物种类，这进一步强调了颗粒尺寸在生物气溶胶研究中的重要性。

本研究还指出，SA系统在生物气溶胶中更可能包含多种机会性病原体，如**Escherichia coli**、**Pseudomonas aeruginosa**、**Aspergillus**等，这些微生物可能对操作人员和周边社区的健康构成威胁。而DA系统虽然在微生物多样性方面表现更优，但其在可吸入颗粒中的病原体含量较低，这可能与其较低的颗粒悬浮能力有关。此外，研究还发现，某些微生物如**Rhodococcus**和**Pseudomonas**在SA系统中表现出更高的相对丰度，尤其是在可吸入颗粒中，这可能与其在高湿度和强扰动环境下的适应性有关。

通过比较活性污泥与生物气溶胶的微生物组成，研究团队发现两者之间存在显著的重叠，这表明活性污泥是生物气溶胶的主要来源。在SA系统中，活性污泥与生物气溶胶之间的重叠微生物种类更多，这进一步支持了SA系统在微生物扩散方面更具优势的观点。然而，这种重叠也可能意味着活性污泥中的病原体更容易通过SA系统扩散到空气中，从而增加健康风险。因此，针对SA系统的防控措施尤为重要。

此外，本研究还揭示了环境因素对生物气溶胶中微生物组成的影响。例如，RH在DA系统中对微生物多样性有显著影响，而在SA系统中，其影响则不显著。这表明，在不同的曝气系统中，环境因素对微生物组成的作用可能存在差异。风速和空气温度则在不同季节对微生物分布产生不同的影响，这为未来的环境控制和微生物管理提供了参考依据。

尽管本研究提供了关于生物气溶胶排放和微生物组成的重要见解，但其仍存在一定的局限性。例如，生物气溶胶的排放率是基于环境空气中颗粒质量的计算，而非直接在排放源处测量，这可能导致一定的误差。此外，霰弹宏基因组测序主要检测DNA病毒，可能低估了RNA病毒的多样性。未来的研究可以考虑采用宏转录组学等方法，以更全面地评估生物气溶胶中的病毒组成。同时，研究还建议进一步评估其他潜在的生物气溶胶来源，如污泥干燥床和污泥处理过程，以获得更完整的气溶胶来源信息。

本研究的发现对废水处理厂的设计和管理具有重要的指导意义。SA系统虽然在生物气溶胶排放率和微生物多样性方面表现更优，但也带来了更高的健康风险，尤其是在可吸入颗粒中。因此，对于采用SA系统的废水处理厂，应加强操作人员的防护措施，如佩戴口罩和通风设备，以减少接触风险。同时，应加强对周边环境的监测，确保不会对社区居民造成不必要的健康威胁。此外，DA系统虽然在微生物多样性方面具有优势，但其排放率较低，可能在某些情况下不足以构成显著的健康风险。然而，由于DA系统中也可能存在某些病原体，因此仍需关注其对环境和健康的潜在影响。

在实际应用中，研究团队建议通过运输模型模拟生物气溶胶在不同曝气系统和环境条件下的扩散情况，以更好地理解其传播路径和暴露风险。此外，应进一步研究生物气溶胶的存活率和传染性，以更准确地评估其对健康的威胁。结合这些数据，可以制定更加科学的防控策略，如优化曝气系统设计、加强环境监测、提高操作人员的防护水平等。

总的来说，本研究为生物气溶胶的排放机制和微生物组成提供了新的视角，强调了SA系统在排放率和可吸入颗粒中的重要性，以及环境因素在微生物分布中的作用。这些发现不仅有助于提升对生物气溶胶危害的认识，也为未来的防控措施提供了科学依据。同时，研究也指出了当前研究的不足之处，为后续研究提供了方向。通过持续的科研探索，可以更好地理解和管理废水处理厂中的生物气溶胶问题，从而保障操作人员和周边居民的健康安全。