城市污水厂微生物气溶胶的群落结构、污染特征及环境影响研究

Sewage treatment systems (STPs) are essential infrastructures to protect the quality of the urban water resource. On the other hand, however, STPs produce secondary pollutants such as microbial aerosols. Microbial aerosols occasionally contain hazardous microbes including pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes, which results in a potential environmental and healthy risk. But so far, the pollution characteristics and environmental risks of microbial aerosols produced in STPs are poorly understood.. This project takes STPs with different operation strategies as the objects, including plug flow activated sludge reactor, oxidation ditch, sequencing batch reactor, and membrane bioreactor. Culture-independent molecular biological techniques are used to systematically study the community structure, pollution characteristics and environmental impacts of the microbial aerosols. PCR, TA clone, and Roche 454 pyrosequencing are used to analyze the community structure of bacteria, fungi and archaea. Conventional and real-time quantitative PCR are used to determine the occurrence, abundance and distribution of pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes. Based on the above results, statistical analysis is performed to source track the microbial aerosols, and to clarify its impact to the surroundings. This project will provide scientific basis for the overall environmental risk assessment, proper management and efficient control strategies.

污水处理系统是保证城市水环境质量的重要基础设施，但同时也产生多种次生污染，如微生物气溶胶。微生物气溶胶中含有致病菌、抗药基因等有害污染物，存在潜在的环境健康风险。但迄今为止，关于该系统微生物气溶胶的污染特征和环境风险还没有系统研究。. 本项目以不同运行形式的城市污水处理系统（推流式活性污泥反应器、氧化沟、序批式活性污泥反应器、膜生物反应器）为研究对象，使用不依赖微生物培养的分子生物学技术，对微生物气溶胶的群落结构、污染特征和环境影响进行系统研究。使用PCR、克隆、Roche 454高通量测序等方法考察细菌、真菌、古菌的群落结构特征；使用PCR和定量PCR考察2种危害性微生物（致病菌和抗药基因）的种类、污染水平和分布特征；通过统计分析阐明微生物气溶胶的污染来源及对周边环境的影响；为全面评估城市污水处理系统的环境健康风险、制定合理的管理和控制措施提供科学依据。

尽管空气中的微生物中生物数量相对较低，但其传播范围广，与城市空气质量和公共健康息息相关。城市污水处理系统具有很高的微生物丰度，同时曝气等工艺促进了微生物向空气的逸散，是空气中微生物的重要来源。近年来出现和发展的分子生物学技术具有不依赖于微生物培养的优势，已在水体和陆地系统研究中得到广泛应用，但在空气微生物研究中的应用还较少。因此，本项目使用分子生物学方法对污水处理系统产生的微生物气溶胶进行系统研究，获得微生物组成信息，并对其来源和污染水平进行评估。.本项目执行期间，针对城市污水厂各级处理单元的进行了两次系统的微生物气溶胶采样。分别于2014年12月和2016年3月，对河北省石家庄市某城市污水处理厂和制药废水处理厂进行微生物气溶胶、污水、污泥样品的采集。使用Mobio Power Soil DNA extraction Kit对各样品进行基因组DNA提取，并使用Miseq测序平台对气溶胶中的16S rRNA gene进行测序，获得的序列经过QIIME软件 分析，最终获得样品的原核生物群落结构组成。在所有的污水、污泥、气溶胶样品中，细菌占99%以上，古菌仅占1%以下。气溶胶样品中的微生物Alpha多样性高于污水、污泥。从系统发育分类水平-门（phylum）来看，污水、污泥中主要为变形菌(Proteobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)，而微生物气溶胶中，变形菌仍然占据主导地位，但拟杆菌显著低于污水、污泥样品，同时，厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）的比例显著高于污水、污泥样品中的比例。从系统发育分类水平-科（family）来看，细菌在污水、污泥、气溶胶中的分布可分为三种模式：（1）污水／污泥与气溶胶中同时检出；这些细菌可能来源于污水处理厂（2）污水／污泥中检出，但气溶胶中未检出；这部分细菌不容易气溶胶化（3）污水／污泥中未检出，但气溶胶中检出；这部分细菌可能广泛存在于该城市市的气溶胶中，但污水处理厂工艺（如曝气）促进了此类细菌的气溶胶化。