污水侵入饮用水的破坏性影响：微生物分子水平的演替和有机转化

摘要：本研究探讨了污水侵入饮用水系统对微生物群落和溶解性有机物（DOM）的影响。研究表明，即使是1%的污水侵入也能立即导致饮用水中的微生物生物量（总细胞计数，TCC）增加8倍，细菌种类（扩增子序列变体，ASVs）增加48.9%，有机碳含量（溶解性有机碳，DOC）增加12.5%，以及独特的DOM分子公式增加13.5%。随着时间的推移，污水侵入改变了饮用水的微生物学，加速了细菌生长速率（快5倍），选择性地促进了群落演替中的ASVs，并产生了998个更多的独特DOM公式。统计分析揭示了污水侵入将细菌和DOM组成的协变驱动力从自来水中的DOM依赖过程转变为侵入后细菌控制过程。研究结果强调了污水侵入对自来水的破坏性影响，并强调了除了其直接健康风险外，还需要考虑污水侵入在饮用水系统中的长期影响。

背景：饮用水系统因基础设施老化和水资源压力加剧而越来越容易受到污水侵入的影响。污水侵入的健康风险已被广泛研究，但对侵入细菌和DOM对饮用水微生物学的影响知之甚少。污水侵入可能导致微生物群落和有机物的变化，从而对饮用水的生物安全性和稳定性构成威胁。

主要结果：

TCC（总细胞计数）：污水侵入导致细菌生物量立即显著增加，之后增长速率加快，达到峰值后逐渐稳定。细菌群落的α多样性：污水侵入增加了细菌群落的多样性，这表明污水中的微生物种类丰富。NMDS图（细菌群落）：污水侵入改变了细菌群落的结构，与未受污染的自来水形成显著差异。DOC（溶解性有机碳）浓度：污水侵入导致DOC浓度立即增加，随后呈现下降趋势，表明有机物被细菌利用。DOM的α多样性：污水侵入增加了DOM分子的多样性，这可能与污水中引入的新有机物有关。NMDS图（DOM）：污水侵入改变了DOM的组成，与未受污染的自来水相比，DOM的组成发生了显著变化。

图 1. 细菌和溶解有机物的7天动态.（a）用总细胞计数（TCC）量化的生物量变化;（b）细菌群落的α多样性;（c）基于细菌群落Bray-Curtis不相似性的NMDS 图;（d）溶解有机碳浓度（DOC）的变化;（e） DOM的α多样性;（f）基于DOM的Bray-Curtis不相似性的NMDS图。子图（a，b，d）中带带的线表示标准差（SD）±平均值（n = 3）。

污水侵入后，与细菌代谢相关的DOM分子数量显著增加，表明细菌活动对DOM的转化有显著影响

图 2.被归类为与累积生物量呈正相关和负相关的 DOM 分子的 Van Krevelen 图。（a） 在自来水 （TW） 和污水侵入率为 1% 的自来水中（S-TW）中标记为正相关（细菌产生的，红色）和负相关（细菌消耗，灰色和蓝色）的总体分子;（b） 分为不同元素组成的 DOM 分子。正相关分子（细菌产生）标记为红色，负相关分子（细菌消耗）标记为灰色（污水引入分子）和蓝色（自来水固有分子）。

分子属性分布：污水侵入后，细菌消耗的DOM分子与生成的DOM分子在化学属性上存在差异，如H/C比、O/C比、DBE-O、AImod和NOSC。元素组成：细菌消耗的DOM分子主要为CHO，而生成的分子则含有更多的CHON。化合物组成：与细菌代谢相关的DOM分子主要由高度不饱和和酚类化合物（HuPh）组成。

图 3.DOM 分子的化学性质和组成。（a）DOM分子分布和平均值对H/C比、O/C 比、DBE-O、AI 的密度图国防部和 NOSC.双尾 Wilcoxon 秩和检验，用于比较分子性状的显着差异。显著性：***，P < 0.001;生成的分子（正相关）为红色，消耗的分子（负相关）为灰色（固有分子）和蓝色（污水引入的分子）。（b）细菌产生和消耗的DOM分子的元素组成。（c）细菌产生和消耗的DOM分子的化合物组成。在（b）和（c）中，细菌消耗的污水引入分子出现在内圈中。

主要结论：污水侵入的影响：即使是1%的污水侵入也能立即导致饮用水中的微生物生物量（TCC）显著增加，细菌种类（ASVs）增多，溶解性有机碳（DOC）含量上升，以及独特的DOM分子公式数量增加。污水侵入加速了细菌的生长速率，并在选择性地促进某些ASVs在群落中占主导地位方面发挥了作用。污水侵入不仅增加了DOC的浓度，还引入了新的DOM分子公式，这些分子在随后的时间内被细菌代谢活动所转化。污水侵入改变了细菌群落和DOM组成的协变关系，从自来水中的DOM依赖过程转变为侵入后的细菌控制过程。污水侵入不仅带来直接的健康风险，还可能对饮用水系统的微生物生态学产生长期影响，这需要在监测和管理污水侵入风险时予以考虑。鉴于污水侵入可能导致饮用水微生物群落和有机物组成的长期变化，建议环境机构和水务公司在污水侵入事件后，除了关注直接的健康风险外，还应关注长期的水质风险管理。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122281