处理废水和灌溉后农业排水中的理化性质与离子组成对细菌丰度的影响：以沙特阿拉伯阿哈萨地区为例

《Frontiers in Environmental Science》：Influence of physicochemical properties and ionic composition on bacterial abundance in treated wastewater and post-irrigation agricultural drainage water: a case study from Al-ahsa, Saudi Arabia

　　

摘要专业翻译 引言： 本研究调查了沙特阿拉伯阿哈萨地区处理废水和灌溉后农业排水中理化性质与细菌丰度之间的关系。 方法： 从处理废水（n = 3）和农业排水（n = 3）中采集了六个水样，并纳入四个自来水样作为微生物学参考。测定了主要离子、微量元素、有机物、总活菌数（TVC）和总大肠菌群。 结果： 农业排水表现出比处理废水更高的盐度、钠优势、氯化物（1,520–1850 mg/kg）、硫酸盐（820–980 mg/kg）和有机物（0.65%–0.72%）（处理废水：氯化物 = 314–333 mg/kg；硫酸盐 = 206–218 mg/kg；有机物 = 0.17–0.19%）。尽管存在这些理化差异，两种水源的微生物丰度相当，TVC范围为2.51至3.17 log10 CFU/mL，总大肠菌群为1.93至2.87 log10 CFU/mL。相反，自来水中的微生物计数持续较低（0.70 log10 CFU/mL）。Spearman相关分析揭示了总大肠菌群与主要离子之间存在显著正相关关系，而主成分分析（PCA）主要基于理化参数将农业排水与处理废水明确区分开来。 讨论： 研究结果表明，微生物丰度与多种相互作用的理化因素相关，而非仅与单一离子相关。研究结果还为支持阿哈萨地区水质监测和农业灌溉中可持续废水回用提供了基线信息。

论文解读

一、研究背景与目的

水资源短缺是干旱和半干旱地区面临的严峻挑战。沙特阿拉伯阿哈萨地区长期依赖地下水，但过度开采已导致水质恶化、盐度升高等问题。在此背景下，处理废水的回用逐渐成为替代性水源的重要选择。然而，处理废水在输送和农业利用过程中，其水质会发生显著变化，尤其是与土壤、肥料和农药相互作用后，部分废水会以农业排水的形式进入排水系统，其离子组成和微生物丰度随之改变。已有研究表明，水体的离子组成会影响微生物的生长、存活和活性，但关于阿哈萨地区处理废水和农业排水中理化性质与细菌丰度之间关系的信息仍然不足。为此，研究人员开展了本研究，旨在评估离子组成对微生物负荷（包括总活菌数和总大肠菌群）的影响，为水质监测、风险评估和可持续水回用策略提供区域特定的基线数据。

二、研究内容与主要结论

研究人员在阿哈萨地区采集了三种农业排水水样（S1–S3）、三种处理废水水样（S4–S6）以及四个自来水样（S7–S10，作为微生物学参考），测定了主要离子、微量元素、有机物含量、总活菌数（TVC）和总大肠菌群。结果表明，农业排水具有高盐度、钠离子主导、高氯化物和硫酸盐浓度以及较高有机物含量的特征，反映了灌溉回流和农业活动的影响；处理废水的盐度和离子浓度较低，但仍可检出指示菌。两种水源的微生物丰度相当，TVC范围为2.51–3.17 log₁₀ CFU/mL，总大肠菌群为1.93–2.87 log₁₀ CFU/mL，而自来水的微生物计数持续较低（0.70 log₁₀ CFU/mL）。Spearman相关分析显示总大肠菌群与所有主要离子呈显著正相关（ρ = 0.829，p = 0.042），而TVC与离子组成的相关性较弱且不显著。主成分分析（PCA）基于理化参数将农业排水与处理废水明确分离，PC1解释了93.93%的总方差。研究结论认为，微生物丰度受多种相互作用的理化因素共同影响，而非单一离子单独作用；研究结果为阿哈萨地区处理废水农业回用的安全性和可持续性提供了重要的基线信息。

三、主要关键技术方法

本研究采用了以下关键技术方法：样品采集方面，从阿哈萨地区的农业排水渠（三个纵向采样点）和处理废水灌溉渠（三个纵向采样点）分别采集水样，同时采集四个自来水样作为参考；理化分析方面，采用电导法测定电导率（EC），原子吸收分光光度法测定主要阳离子，离子色谱法测定主要阴离子，Walkley–Black湿氧化法测定有机物（OM）含量，并采用标准方法测定pH、总溶解固体、碳酸钙含量及微量元素；微生物分析方面，采用倾注平板法，使用营养琼脂测定总活菌数（TVC），使用紫红胆汁葡萄糖琼脂（VRBGA）双层平板法测定总大肠菌群，在37°C ± 2°C有氧条件下培养24–48小时后计数；统计分析方面，采用Spearman秩相关分析和主成分分析（PCA）探究变量间关系，使用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验比较不同水样的微生物计数差异。

四、研究结果

4.1 农业排水和处理废水的理化特征

农业排水的EC值范围为6.70–8.00 dS/m，平均约7.53 dS/m，表明高盐度水平；平均pH为5.93，呈微酸性至近中性。主要阳离子中Na⁺占主导（平均900 mg/kg），其次为Ca²⁺（213.3 mg/kg）和Mg²⁺（155 mg/kg）。阴离子中Cl^?占主导（平均1,697 mg/kg），其次为SO₄^2-（913 mg/kg）和HCO₃^?（198 mg/kg）。有机物含量为0.65%–0.72%。处理废水的EC值范围为1.70–1.80 dS/m（平均1.73 dS/m），盐度适中；pH相对稳定（6.29–6.39）。Na⁺为优势阳离子（186.7 mg/kg），Cl^?为优势阴离子（323.3 mg/kg），有机物含量较低（0.17%–0.19%）。沿排水渠存在空间梯度，离子浓度在排水口附近最高，向下游逐渐降低。

4.2 水源中的微生物负荷

农业排水样品的TVC范围为2.85 ± 0.10至3.05 ± 0.07 log₁₀ CFU/mL，大肠菌群计数为2.67 ± 0.06至2.87 ± 0.01 log₁₀ CFU/mL。处理废水样品的TVC范围为2.51 ± 0.09至3.17 ± 0.13 log₁₀ CFU/mL，大肠菌群计数为1.93 ± 0.13至2.65 ± 0.22 log₁₀ CFU/mL。自来水样品（S7–S10）的TVC和总大肠菌群均为0.70 ± 0.00 log₁₀ CFU/mL，显著低于其他两类水源。方差分析显示，农业排水与处理废水之间存在部分统计重叠，但自来水与两者差异显著。

4.3 主要离子、理化性质与细菌丰度之间的关系

Spearman相关分析显示，所有主要阴离子和阳离子之间存在完全正相关（ρ = 1.00）。总大肠菌群与所有主要离子呈显著正相关（ρ = 0.829，p = 0.042），而TVC与离子的相关性较弱且不显著（ρ = 0.371，p = 0.468）。PCA分析中，PC1解释了93.93%的总方差，将农业排水与处理废水沿正负方向分离；PC2解释了5.49%的方差，主要与TVC和总大肠菌群相关，其中样品S6沿PC2与其他处理废水样品明显分离。

五、讨论总结与结论翻译

讨论部分指出，农业排水的高盐度和钠优势可能对土壤结构和作物生产力构成风险；处理废水的EC、Cl^?和HCO₃^?浓度超过了联合国粮农组织（FAO）无限制灌溉阈值，但微量元素浓度低于沙特环境、水与农业部（MEWA）的最大允许限值。尽管处理废水经过了三级处理和氯化消毒，但两种水源中仍存在可培养的细菌和总大肠菌群，表明微生物在处理和回用途径中持续存在，可能源于处理不彻底、输送和储存过程中的再生长以及灌溉和排水网络中的生物膜形成。总大肠菌群与主要离子的显著正相关表明，指示菌与水体化学变化的关系比更广泛的可培养细菌群落更为密切，这可能反映了盐度和养分有效性的综合影响，而非单一离子的直接效应。研究还指出，农业排水和处理的废水中总大肠菌群浓度超过了沙特环境部规定的处理废水排放至土壤、土地或地表水之前的总大肠菌群最大允许水平（1.30 log₁₀ CFU/mL），提示需要加强监测和管理。

结论：农业排水以高盐度、钠优势、高浓度主要离子和较高有机物含量为特征，反映了灌溉回流和农业活动的影响；处理废水在处理后表现出较低的盐度和离子浓度，但仍可检出指示菌。农业排水中TVC和大肠菌群浓度分别为2.85–3.05和2.67–2.87 log₁₀ CFU/mL，处理废水中分别为2.51–3.17和1.93–2.65 log₁₀ CFU/mL，表明微生物在整个废水回用途径中持续存在。统计分析进一步表明，微生物丰度受离子组成、养分有效性、有机物和环境条件的综合影响，而非单一化学组分单独作用。总体而言，这些发现为阿哈萨地区处理废水和农业排水的理化及微生物学特征提供了基线信息，并强调了综合理化与微生物监测对于支持处理废水在农业灌溉中安全可持续回用具有重要意义。