《Journal of Environmental Sciences》：Interplay between dissolved organic matter geochemistry and microbial community in relation to Mn removal in sand filters of medium-scale water treatment
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•自运行一年以来，沙面被锰氧化物和钙氧化物覆盖。•在处理厂中，有多种协同因素影响着锰的去除。•在旱季和雨季，CHON?DOM与CHO-DOM是两种主要的有机质形式。•在旱季，Dechloromonas菌较多；而在雨季，Hyphomicrobium菌较为常见。•在雨季，有机质与微生
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自运行一年以来，沙面被锰氧化物和钙氧化物覆盖。
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在处理厂中，有多种协同因素影响着锰的去除。
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在旱季和雨季，CHON?DOM与CHO-DOM是两种主要的有机质形式。
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在旱季，Dechloromonas菌较多；而在雨季，Hyphomicrobium菌较为常见。
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在雨季，有机质与微生物组成会共同发生变化。
引言
为满足饮用水消毒副产物标准，并提升水净化系统对气候变化的适应能力，通过快速砂滤器去除溶解性有机物（包括可生物降解的溶解性有机碳以及溶解铁、锰、铵等污染物）变得越来越重要（Bai等人，2023；Chen等人，2021；Kasuga等人，2020；Liu等人，2023；Rosenqvist等人，2024）。我们之前在泰钦河流域的研究表明，旱季时铵离子浓度较高，而砂滤器对其去除效果较差。此外，在雨季，溶解锰浓度可能达到国家水质标准的十倍之多。因此，水厂会采用预氯化处理（并加入高锰酸钾），通过化学氧化将铵离子转化，同时将溶解的铁和锰转化为氧化物，再通过物理过滤使其附着在沙粒上。然而，残留的消毒剂可能会影响过滤介质中的微生物多样性，降低有机质的疏水性并增加可生物降解的溶解性有机碳含量。操作参数（如预氧化处理）能更真实地反映实际砂滤系统的运行状况。所观察到的微生物群落结构是该特定工程环境下的适应性结果，尽管预处理影响了有机质的地球化学性质，但它仍是驱动微生物代谢活动及后续锰去除效率的主要因素。因此，了解微生物群落结构、优势细菌种类及其代谢潜力，对于在实际水净化系统中高效去除有机质和锰具有重要的意义，尤其是在砂滤系统中。
目前认为，砂滤器去除锰的机制包括以下几类：（1）物理化学过程，如吸附、氧化、（共）沉淀；（2）微生物氧化与去除锰；（3）上述过程的组合（Bruins等人，2013）。不过，采用曝气过滤法去除锰时常常会面临一些问题，比如水中含有高浓度的天然有机物质，可能导致锰离子发生络合反应；同时高浓度的铵离子（超过2.5毫克/升）以及pH值和碳酸氢根离子等水质因素也会影响锰离子的溶解度，从而降低锰的去除效率（Bruins等人，2013）。另有研究表明，微生物在锰去除过程中也可能起到重要作用。多项研究探讨了不同类型细菌氧化锰的能力，例如Leptothrix属、Bacillus属、Pseudomonas属细菌，以及砂滤器中的Pseudomonas sagittaria MOB-181菌株（Bruins等人，2015a；Piazza等人，2019）。该菌株的锰离子氧化效率可达95%，远高于未接种菌株的效率。在溶解氧存在的情况下，锰离子氧化为锰离子三价态或四价态是一个受动力学限制的过程，仅靠简单的曝气和沉淀无法有效去除这些金属离子。
然而，即便存在能够氧化锰的细菌，也不一定能确保锰会被充分氧化并从过滤介质中去除。因此，还需要进一步研究，尤其是要了解过滤介质涂层中锰氧化物的特性、这种锰氧化物涂层是如何在新的过滤介质上形成的，以及微生物在这一过程中的作用，还有它们在锰的吸附和氧化过程中的功能。
近期研究指出，微生物群落的组成和网络结构与其利用不同类型有机质的能力之间存在关联（Shi等人，2024；Wu等人，2018）。此外，微生物群落通常会优先吸收相对易分解的有机质，只有当易分解的有机质耗尽后才会开始利用难分解的有机质（Vignola等人，2023）。由微生物活动产生的有机质称为原生有机质，而来自陆地的有机质则称为外源有机质。极端气候事件会导致大量外源有机质从植物残体进入水体。在微生物分解的厌氧环境中，由于黏土矿物和铁氧化物的相互作用，有机质可以被稳定下来（Li等人，2018）。异养微生物会消耗砂滤器中产生的有机质，而非进水中的有机质，因此过滤器在成熟阶段的性能不会因进水水质的变化而受到影响（Rosenqvist等人，2024）。由此可见，有机质在生物地球化学过程中起着核心作用（Li等人，2018）。不过，尽管人们已经努力研究有机质动态的多样性，但尚未有人尝试将微生物活动数据与有机质数据结合，在实际的砂滤系统中分析二者之间的关联以及影响它们的环境因素。
据我们所知，目前还没有全面的研究来阐明实际砂滤系统中微生物群落结构、有机质分子特征与锰去除效果之间的环境相关关系。不过，有一些研究仅关注了大型水处理厂中有机质分子的特性（Wang等人，2023），还有研究探讨了不同生物滤层中微生物群落的组成与其对不同类型有机质利用情况之间的关系（Shi等人，2024）。
因此，本研究旨在：（1）通过批量实验，确定锰砂的特性以及物理化学过程和生物过程在锰去除中的作用；（2）通过16S rRNA基因扩增子测序，利用Tax4Fun2工具筛选出主要的锰氧化细菌，分析微生物群落的动态变化及其代谢潜力；（3）利用Orbitrap质谱技术分析有机质的多样性；（4）研究微生物群落与有机质分子多样性之间的关系。通过比较过滤器入口处与沙床内的有机质特征，该方法可以独立于最初的化学氧化步骤，准确识别出由微生物群落引发的生化变化。这项研究将为了解低流量（旱季）和高流量（雨季）季节条件下有机质与微生物动态的差异提供初步见解，而这些见解对于实际砂滤系统的运行管理具有重要意义。
章节摘要
水样与沙样采集
2022年3月和10月，我们在泰国中部一家日处理能力超过20万立方米的中小型水处理厂进行了采样工作。该水厂的取水水源为河水。我们在砂滤器的进水口和回流水处采集了水样（见图S1）。该水厂每天向原水中投加氯，使余氯浓度达到0.5毫克/升，以此将溶解的铁氧化为不溶性的三价铁，进而通过砂滤器将其去除。
锰砂的特性分析
如图1所示，我们通过对新沙和旧沙进行干燥处理，然后使用扫描电子显微镜结合能谱仪分析其表面形态和元素组成。可以看出，旧沙的表面明显呈黑色（图1D），而新沙则呈现正常的沙色（图1A）。旧沙表面有金属碎屑附着（图1E和F），而新沙的表面则十分光滑（图1B和C）。图1G展示了2004年至2018年间新生过滤介质上锰氧化物涂层的形成过程。从元素分析结果来看
结论
本研究阐明了有机质特性对实际中型水处理厂砂滤系统中生物活动的影响。使用超过7年的沙粒表面覆盖着锰氧化物。能够氧化锰的细菌在体外实验中表现出较强的锰去除能力；而该水厂的整体处理效果很可能是多种协同因素共同作用的结果，比如化学氧化作用以及过滤介质的自催化作用。虽然微生物群落之间也可能存在协同效应
作者贡献说明
Bongkotrat Suyamud：现场采样、实验操作、研究构思、初稿撰写、数据整理、数据分析和可视化、论文审阅与修改。
Xia Kang：数据分析和可视化、论文审阅与修改。
Chotikoon Bunditboondee：现场采样、实验操作。
Yuyi Yang：研究方法设计、结果验证、论文审阅与修改。
Jenyuk Lohwacharin：现场采样、研究构思、数据分析、结果验证、论文审阅与修改、资金筹集。
CRediT作者贡献说明
Bongkotrat Suyamud：初稿撰写、数据分析与可视化、研究方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。Xia Kang：数据分析与可视化、实验研究、正式分析。Chotikoon Bunditboondee：论文审阅与修改、实验研究、数据整理。Yuyi Yang：论文审阅与修改、结果验证、软件应用、研究方法设计。Jenyuk Lohwacharin：论文审阅与修改、结果验证、研究指导、资源协调、项目管理工作、资金筹集、正式分析、研究构思。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了旭硝子基金会、泰国国家研究委员会以及朱拉隆功大学的资助（项目编号N42A680375）。
Bongkotrat Suyamud|Xia Kang|Chotikoon Bunditboondee|Yuyi Yang|Jenyuk Lohwacharin
