再生水输配系统中关键水质因子对微生物群落及生物膜形成的影响机制研究

为解决再生水输配系统中生物膜引发的堵塞与污染问题，研究人员通过分析14种水质参数对微生物群落及生物膜形成的影响，发现COD、Ca2+ 、Mg2+ 和TP是驱动微生物多样性与网络结构的关键因子，为靶向调控水质管理提供了科学依据。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，再生水（Reclaimed Water, RW）作为可持续替代资源，在农业灌溉、工业及城市景观等领域应用广泛。然而，再生水输配系统中滋生的生物膜——由微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）构成的粘附性聚集物——却成为系统运行的“隐形杀手”。生物膜不仅会堵塞滴灌 emitter（滴头）的狭窄流道（0.5–1.2 mm），导致流量下降和能耗增加，还可能成为病原微生物的温床，威胁用水安全。尽管水质参数如化学需氧量（COD）、pH、总磷（TP）等已被证实与生物膜形成相关，但这些因素如何协同调控微生物群落结构及生态互作网络，仍是未解之谜。

为破解这一难题，中国某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，系统考察了14种水质参数对三种再生水（CASS、RBTT、SBWL）处理系统中生物膜微生物群落的影响。通过16S rRNA基因测序技术解析微生物多样性，结合分子生态网络分析（Molecular Ecological Network Analysis, MENA），揭示了水质-微生物-生物膜的级联调控机制。

研究采用农业滴灌系统模拟实验，选取易堵塞的三种滴头类型培养生物膜，测定水质参数包括COD、BOD₅
（五日生化需氧量）、Ca²⁺
、Mg²⁺
、TP等14项指标，并通过高通量测序和网络拓扑分析揭示微生物群落互作规律。

关键结果

1. 水质参数差异：Ca²⁺
   、Mg²⁺
   浓度从CASS到SBWL处理递增，而PO₄
   ^3-
   、TP呈相反趋势，BOD₅
   在RBTT处理中最低（7.3 mg/L）。
2. 微生物群落驱动因子：COD、Ca²⁺
   、Mg²⁺
   和TP被确定为关键调控因子。高浓度COD显著提升微生物α多样性指数（如Shannon指数），而Mg²⁺
   和TP显著富集鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）、厌氧绳菌科（Anaerolineaceae）等关键菌群。
3. 网络结构特征：高COD、TP系统呈现更复杂的微生物互作网络，节点连接数与模块性（Modularity）增强，表明群落稳定性提升。
4. 区域与水质类型特异性：不同再生水处理系统中，微生物群落响应模式存在地域差异，证实环境背景对生物膜组装的影响不可忽视。

结论与意义
该研究首次系统阐明了再生水水质参数通过调控微生物互作网络影响生物膜形成的机制。COD作为碳源指标，直接促进微生物多样性；而Ca²⁺
、Mg²⁺
等二价离子通过影响EPS交联和细胞黏附，间接塑造生物膜结构。研究提出的“关键因子-微生物网络-生物膜功能”框架，为再生水系统精准调控提供了理论依据。例如，通过控制TP和Mg²⁺
浓度可抑制Sphingomonadaceae等堵塞相关菌群的增殖，而优化COD水平能增强系统抗扰动能力。这些发现对延长输配设备寿命、保障再生水安全利用具有重要实践价值，也为跨区域水质标准制定提供了科学支撑。

（注：全文基于原文事实描述，未添加非原文信息；专业术语首次出现时标注英文缩写，作者名保留原格式如Tahir Muhammad、Yunkai Li等；上标/下标严格按原文格式使用

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