污水管道流速依赖性甲烷排放机制：从底物代谢到微生物群落动态的深度解析

针对城市污水管网甲烷排放机制不明的问题，研究人员通过多组学方法系统探究了流速（0.4-0.8 m/s）对甲烷生成的影响。发现流速提升至0.8 m/s可使72小时累积甲烷产量降低72.9%，并揭示其通过抑制底物水解基因（如pgm）、VFAs合成基因（porA）和产甲烷基因（mcrA）表达，以及降低关键菌群（Tolumonas）和古菌（Methanobacterium）丰度的双重作用机制，为污水管网温室气体减排提供了理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，城市污水管网作为隐蔽的温室气体"热点"，其甲烷排放问题日益凸显。甲烷的百年增温潜势是CO₂的28倍，而污水系统贡献了可观的人为甲烷排放量。尤其令人担忧的是，污水处理厂进水口的甲烷排放可占全流程排放的12-75%，且受水力条件等因素影响呈现显著时空异质性。尽管已知流速会影响管网生物化学过程，但其如何通过微生物生态与代谢网络调控甲烷生成，始终是未被破解的"黑箱"。

中国研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究，首次系统揭示了流速影响污水管道甲烷排放的多层次机制。通过构建模拟反应器（0.4-0.8 m/s流速梯度），结合三维荧光光谱、高通量测序和功能基因预测等技术，发现流速提升至0.8 m/s可使甲烷排放通量从0.292降至0.127 mg/(m²·h)。研究创新性地阐明这一现象源于"物理-生物"耦合作用：流速既通过限制底物利用（Region-IV荧光强度增加48.1%），又通过重构微生物群落（如Tolumonas减少24.9%）和抑制关键代谢基因表达（mcrA下调）实现甲烷减排。

关键技术方法包括：平行反应器系统模拟不同流速条件（0.4-0.8 m/s）；三维荧光光谱（EEM）分析底物转化特征；16S rRNA测序解析微生物群落结构；PICRUSt2预测功能基因；网络分析评估群落共生关系。实验采用实际污水管网沉积物作为接种源，确保生态相关性。

【Enhanced flow velocity suppresses methane emissions in sewage pipeline】
流速实验显示，0.8 m/s条件使72小时累积甲烷产量较0.4 m/s降低72.9%。同步监测发现挥发性脂肪酸（VFAs）浓度随流速增加而下降，表明碳流向甲烷生成的代谢链受阻。

【Microbial community dynamics under varying flow velocities】
高通量测序揭示流速显著改变群落结构：产甲烷古菌Methanobacterium相对丰度从24.45%降至22.03%，且共生网络拓扑指数下降，反映微生物互作脆弱性增加。功能预测显示水解酶基因（pgm）、丙酮酸氧化还原酶基因（porA）等关键代谢基因表达受抑制。

【Conclusion】
该研究建立了"流速-微生物-代谢-排放"的定量关系模型，证实流速通过三重途径抑制甲烷生成：物理限制底物接触、生物减少功能菌群、分子下调代谢基因。这一发现为优化管网运行参数（如维持0.6-0.8 m/s流速）提供了科学依据，对实现污水处理系统"碳中和"具有重要实践价值。特别值得注意的是，研究首次报道了流速对细菌-古菌跨界互作的破坏效应，这为理解环境流体力学塑造微生物生态提供了新视角。