在用于市政和工业废水处理的移动床及间歇式清洗反应器中，多种微生物群落会在生物膜载体上定殖

《Biofilm》：Diverse microbial communities colonize biofilm carriers in moving bed and intermittent cleaning reactors for municipal and industrial wastewater treatment

本研究对挪威四个MBBR和两个CFIC污水处理厂的生物膜载体及悬浮液微生物群落进行测序分析，发现载体表面优势菌群包括Saccharibacteria、Burkholderiales、Clostridiales等，悬浮液则以Methanosarcinales、Flavobacteriales为主，不同载体类型和污水特性显著影响微生物组成，揭示了MBBR/CFIC系统高效处理的核心机制。

　　### 微生物多样性在生物膜反应器中的作用及其影响因素

在废水处理过程中，生物膜反应器作为一种高效、紧凑的生物处理系统，因其能够有效去除有机物和营养物质而受到广泛关注。传统的生物膜反应器在市政和工业废水处理中被广泛使用，但近年来，随着技术的发展，移动床生物膜反应器（MBBR）和连续流间歇清洗反应器（CFIC）逐渐成为新的研究热点。这些新型生物膜系统在设计上更加优化，能够适应多种废水处理需求，同时减少污泥产生、防止堵塞，并具备更强的环境适应性。然而，尽管这些技术已经取得了显著进展，目前关于生物膜反应器中微生物组成的研究仍然较为有限。本研究通过采集挪威四座MBBR和两座CFIC实际运行中的生物膜载体和液相样品，结合宏基因组测序技术，揭示了这些系统中微生物多样性的特征，并探讨了其背后的驱动因素。

### 研究背景与意义

传统的废水处理技术主要依赖于好氧生物处理过程，其核心目标是通过微生物的代谢活动氧化可生物降解的有机物，并将固体物质整合为生物絮凝物或生物膜，从而去除氮、磷等营养物质以及特定的微量有机物。这类处理过程通常分为悬浮生长和附着生长两种类型。在悬浮生长系统（如活性污泥法）中，微生物在液相中自由生长，随后通过二次沉淀池与处理后的出水分离。相比之下，附着生长系统则依赖于微生物在特定载体表面的附着和生长，例如膜生物反应器（MBR）中的过滤膜或MBBR中的移动载体。这些附着生长系统能够通过生物膜的形成实现更高的处理效率，同时减少污泥的产生和对环境条件的敏感性。

近年来，随着生物膜技术的不断进步，新的处理系统如CFIC逐渐被开发出来，以进一步提高处理效率和系统紧凑性。MBBR和CFIC的主要区别在于生物膜载体的填充率，即生物膜载体体积与整个反应器体积的比例。CFIC系统的填充率通常高达90%，而MBBR系统的填充率一般不超过70%。这种设计上的差异使得CFIC在处理高负荷或有毒废水方面更具优势。然而，由于生物膜系统的复杂性，其内部微生物组成和多样性仍需进一步研究。了解这些微生物群落的组成不仅有助于优化处理工艺，还能为系统运行提供科学依据，确保其长期稳定性和高效性。

### 研究方法与技术手段

本研究通过采集实际运行中的生物膜载体和液相样品，利用宏基因组测序技术对微生物群落进行分析。研究对象包括四座MBBR系统和两座CFIC系统，分别位于挪威的T?nsberg、Arendal、Monsrud、Holmestrand、Lindesnes和NSO Bamble等城市。这些系统处理的废水类型各异，包括市政废水和工业废水，这为研究不同废水条件下微生物组成的变化提供了丰富的数据支持。

在实验过程中，首先对废水的理化特性进行了分析，包括总化学需氧量（tCOD）、可溶性化学需氧量（sCOD）、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、总固体（TS）、挥发性固体（VS）以及碱度等指标。这些数据不仅有助于了解废水的初始状态，还能为后续的微生物群落分析提供参考。随后，对生物膜载体和液相样品中的微生物进行了分离和提取，利用DNA宏基因组测序技术对16S rRNA基因进行扩增和测序，从而实现对微生物群落的分类和多样性分析。

为了更直观地展示微生物群落的组成，研究团队使用了热图（heatmap）技术，并结合层次聚类（hierarchical clustering）方法，对不同处理单元的微生物群落进行了比较分析。通过这种方法，研究人员能够识别出不同处理单元之间的微生物组成差异，以及这些差异与废水特性、生物膜载体类型和运行条件之间的关系。

### 研究结果与微生物组成分析

研究结果显示，不同处理单元中的微生物组成存在显著差异。在生物膜载体上，主要的细菌类群包括TM7-1（Saccharibacteria）、Burkholderiales、Clostridiales、Actinomycetales、Pseudomonadales、Rickettsiales和Rhodobacteriales。而在液相样品中，主导的细菌类群则为Clostridiales、Methanosarcinales、Pseudomonadales、Flavobacteriales和Rhodobacteriales。这些差异可能与生物膜载体的物理化学特性、废水成分以及处理工艺的运行条件有关。

具体而言，T?nsberg MBBR系统中，生物膜载体上以TM7-1（Saccharibacteria）为主导，而液相样品中则以Burkholderiales和Clostridiales为主。Arendal MBBR系统中的生物膜载体主要由Clostridiales和Blgi18组成，而液相样品则以Lactobacillales和Pseudomonadales为主。Monsrud和Holmestrand MBBR系统中，生物膜载体上的微生物群落主要由Clostridiales和Blgi18构成，而液相样品则以Clostridiales和Pseudomonadales为主。这些结果表明，生物膜载体和液相中的微生物组成存在明显的差异，可能与它们所处的微环境和营养条件有关。

在CFIC系统中，Lindesnes和NSO Bamble处理的废水类型不同，导致微生物组成也有所差异。Lindesnes CFIC系统处理的是制药工业废水，其生物膜载体上的主要细菌类群为Rickettsiales、Flavobacteriales和Rhodobacterales。而在NSO CFIC系统中，由于处理的是石油化学工业废水，生物膜载体上的微生物群落则以Burkholderiales和Rhizobiales为主。液相样品中的微生物组成则显示出Clostridiales、Methanosarcinales、Pseudomonadales、Flavobacteriales和Rhodobacterales的主导地位，这可能与废水的有机负荷和处理条件有关。

### 微生物多样性的驱动因素

微生物群落的组成和多样性受到多种因素的影响，包括废水的理化特性、生物膜载体的类型和物理化学性质、处理工艺的运行条件以及系统内部的环境因素。例如，废水中的有机负荷、氨氮浓度、pH值、温度以及是否存在有毒物质都会对微生物的生长和分布产生重要影响。此外，生物膜载体的表面特性，如疏水性和低表面能，也会影响微生物的附着和生长。某些材料的表面特性可能促进微生物的附着，而另一些则可能限制其生长，从而影响整个系统的处理效率。

在MBBR系统中，生物膜的厚度和密度是影响处理效率的重要因素。研究表明，生物膜厚度在20-30微米时，能够实现更高的硝化速率。此外，生物膜的厚度还受到有机物、营养物质和氧气的扩散速率的影响。因此，控制生物膜的生长速率和厚度对于优化MBBR和CFIC系统的性能至关重要。

### 研究的科学意义与应用价值

本研究的发现不仅揭示了生物膜反应器中微生物多样性的特征，还为优化废水处理工艺提供了科学依据。通过分析不同处理单元的微生物组成，研究人员能够更好地理解生物膜反应器的运行机制，并据此调整操作参数，以提高处理效率和稳定性。此外，研究结果还表明，生物膜载体和液相中的微生物群落具有互补性，这可能意味着在生物膜反应器中，微生物之间的相互作用和协同效应对于废水处理至关重要。

在实际应用中，这些发现可以用于指导生物膜反应器的设计和运行。例如，选择合适的生物膜载体类型、优化填充率、调整运行条件等，都有助于提高系统的处理效率和稳定性。此外，对于处理高负荷或有毒废水的系统，了解其微生物组成有助于评估其处理能力，并采取相应的措施以确保系统的长期运行。

### 结论与展望

综上所述，本研究通过宏基因组测序技术，对挪威四座MBBR和两座CFIC系统中的微生物组成进行了深入分析。研究结果表明，生物膜反应器中的微生物群落具有高度的多样性，其组成受到废水特性、生物膜载体类型和运行条件的显著影响。在生物膜载体上，主要的细菌类群包括TM7-1、Burkholderiales、Clostridiales等，而在液相样品中，主导的类群则为Clostridiales、Methanosarcinales、Pseudomonadales等。这些微生物群落的差异可能反映了不同处理单元中的微环境和代谢活动的差异。

未来的研究可以进一步探讨不同处理条件对微生物群落的影响，例如温度、pH值和溶解氧等。此外，可以结合其他生物技术手段，如代谢组学和蛋白质组学，以更全面地理解微生物的代谢功能和生态行为。这些研究不仅有助于提高生物膜反应器的处理效率，还能为环境微生物学和废水处理技术的发展提供新的思路和方法。