基于耐氯菌群体效应的供水管网生物膜的形成与调控机制研究

Drinking water distribution systems (DWDS) is the main parts of urban water supply systems. The capacity of bacteria to adhere to pipe wall in the DWDS played an important role in the chlorine resistance. Chlorine-resistant bacteria (CRB) formed biofilm on the pipe wall, which can lead to hygienic, aesthetic or operational problems. The interactions in biofilm formation between CRB populations, CRB and environmental conditions would inevitably affect the bacterial community structure and global function. However, these interactions has received limited research attention to date. In this project, on the basis of the biofilm formation in different environmental conditions (e.g., pipe, temperature, disinfectants, water quality, cell reactive substances) of DWDS, we investigate the process and mechanism of interaction between CRB populations, CRB and environment conditions, reveal key regulatory factors and mechanisms of biofilm formation in DWDS, and explore new methods for the regulation of biofilm in DWDS. The project is significant for water quality and normal operation in DWDS.

供水管网是城市供水系统的重要组成部分，在管壁上附着的细菌，其耐氯性会大幅增加。耐氯菌在管壁上形成生物膜，会对饮用水的卫生学、感官学和管网运行等供水安全造成重大危害。在生物膜的形成过程中，在管壁发生的耐氯菌群体间、耐氯菌与环境间的相互作用必然影响着生物膜的群落结构和整体功能。然而目前缺乏评价和分析这些相互作用的实验证据。本项目针对供水管网中环境条件（管材、温度、消毒剂、水质、细胞活性物质等），研究供水管网中生物膜形成过程中的耐氯菌群体间、耐氯菌与环境间的相互作用及机制，揭示供水管网中生物膜形成的关键调控因子和调控机制，探索供水管网中生物膜调控的新方法，对维持供水管网的水质和正常运行具有重要的理论和实际应用价值。

供水管网生物膜中耐氯菌的生长直接关系到饮用水水质安全和管网装置稳定运行。本项目针对供水管网生物膜中耐氯菌，研究了供水管网生物膜中耐氯菌种群多样性，生物膜形成过程中的耐氯菌群体效应、耐氯菌与环境间（消毒剂、管材、水质、水龄等）的相互作用及机制，揭示了供水管网中生物膜形成的关键调控因子和调控机制，探索了供水管网中生物膜调控的新方法。主要研究结论有：.（1）实际供水管网中，Acidobacteria、Afipia、Sphingomonas等细菌对氯有一定的耐受性，水龄、余氯、浊度、硬度、总磷等与细菌种群结构显著相关。.（2） 5种典型耐氯菌，在培养72 h时，Acinetobacter sp.具强生物膜形成能力，Bacillus cereus、Microbacterium laevaniformans和Sphingomonas sp. 具中等生物膜形成能力，Acidovorax defluvii具弱生物膜形成能力；单一细菌的耐氯性取决于细胞的一些特殊构造，比如说芽孢（Bacillus cereus）、糖被（Sphingomonas sp.）等，与种群密度关系不大。.（3）细菌群体的生物膜形成能力和耐氯性受种间相互作用影响：随协作关系增强，随竞争关系减弱。.（4）细菌群落的“群策群力”属性明显增强了多菌生物膜的形成能力和耐氯性。Microbacterium laevaniformans、Sphingomonas sp.在一定程度上能够抑制多物种生物膜的形成，但抑制作用较弱。消毒剂的增加会影响多菌群落间的相互作用，增加群落属性的复杂性。.（5）由氯消毒转换到ClO2消毒能明显降低供水管网生物膜中细菌的数量和种群多样性。.（6）3种不同管材中，304不锈钢对5种典型耐氯菌形成的生物膜生物量控制均较好。.本研究增强了对供水管网生物膜和耐氯菌的认识，研究结论对维持供水管网的水质和正常运行具有重要的理论和实际应用价值。