季节性及运行参数对生物活性滤池处理高DOC水体的微生物群落动态与有机物去除效能的影响研究

本研究针对高溶解性有机碳(DOC)水体处理中生物活性滤池(BAF)效能不稳定的问题，通过分析不同季节(冬/夏)下BAC(活性炭滤池)与BAS(无烟煤/石英砂滤池)的运行参数(温度、反冲洗周期、空床接触时间EBCT)对微生物群落结构、功能基因及DOC/BDOC去除的影响，发现夏季BAC在反洗后呈现最优去除率(DOC 19.1%，BDOC 34.8%)，并首次提出ATP/细菌基因拷贝数(13×10-6)可作为BAF代谢活性的生物标志物，为饮用水生物处理优化提供新思路。

　　

随着全球地表水溶解性有机碳(DOC)浓度持续上升，传统混凝-软化工艺仅能去除约50%有机物，导致消毒副产物(DBPs)超标风险。加拿大草原地区等高碱度水源面临更严峻挑战，增强混凝技术因经济成本过高难以实施。生物活性滤池(BAF)作为替代方案，其DOC去除效率却波动显著(0-20%)，且微生物群落与运行参数的关联机制尚未明确。

为破解这一难题，加拿大曼尼托巴大学的研究团队在《Water Research》发表论文，通过整合全尺度BAF运行数据、高分辨率宏基因组分析和ATP代谢指标，首次提出"特异性ATP"(ATP/细菌基因拷贝数)作为微生物代谢活性的新型监测指标。研究选取Portage la Prairie水厂为对象，对比冬夏两季下活性炭滤池(BAC)与无烟煤/石英砂滤池(BAS)在反冲洗前后的微生物动态，发现夏季BAC在24分钟EBCT和双周反洗条件下，DOC去除率高达19.1%，且特定ATP值(13×10^-6)与最优去除效能显著相关。

关键技术方法包括：(1)采用qPCR定量16S rRNA基因拷贝数；(2)LuminUltra光子仪测定ATP浓度；(3)V4-V5区16S rRNA扩增子测序分析微生物组成；(4)Illumina NextSeq平台宏基因组测序；(5)SEED子系统数据库功能注释。样本来源于水厂冬夏两季的滤料介质(BAC/BAS)及不同工艺段出水。

3.1 DOC和BDOC去除效能
夏季BAC表现出显著季节优势，反洗后DOC/BDOC去除率分别达19.1%和34.8%，而冬季几乎无去除效果。臭氧预处理(0.6 mg O₃/mg C)未提升BDOC比例，证实低剂量臭氧对复杂有机物转化有限。

3.2 代谢活性细胞特征
BAC中ATP浓度(>3000 ng/g DW)显著高于BAS，但冬季特异性ATP值反升10倍(59×10^-6 vs 夏季13×10^-6)，揭示低温诱导的ATP积累属于生存适应而非代谢活跃状态。

3.3 微生物群落结构
BAC选择性富集了降解复杂DOC的功能菌群：

• 根瘤菌目(Rhizobiales)占比达20%，其甲基杆菌属(Methylobacterium)可同时降解土臭素和腐殖质
• 放线菌目(Actinomycetales)和粘球菌目(Myxococcales)在BAC中丰度更高，具备分解木质素衍生物能力
• BAS中伯克霍尔德菌目(Burkholderiales)冬季占比58.3%，适应低温但偏好降解小分子有机物

3.3.3 功能基因谱
宏基因组分析发现BAC显著富集：

• 长链脂肪酸-CoA连接酶(0.68%)：参与芳香化合物降解
• N-甲基乙内酰脲酶(0.45%)：分解富里酸组分
• 一氧化碳脱氢酶(0.39%)：推动CO氧化代谢
• FtsH细胞分裂蛋白(0.27%)：维持蛋白质量控制

研究结论指出，BAC通过延长EBCT(24分钟)和适度反洗(双周)创造了降解复杂DOC的微环境，其微生物功能基因谱与BAS存在显著分化。特异性ATP的提出为BAF性能监控提供了新指标，而BAC中稳定的功能菌群(如Rhizobiales)证实无需外源接种即可维持高效降解体系。该成果为应对气候变化下水质波动提供了微生物学依据，尤其对高DOC/高碱度水源处理具有重要指导价值。