温度与水源的双重奏：饮用水微生物群落分布的影响因素

原创

来源：沈沄楚

2025-01-27 21:40:39

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核心提示：本研究利用一个试点规模的分配网络，研究了温度升高（16°C、20°C、24°C）和水源变化（处理过的地下水和地表水）对块状和生物膜群落的影响，持续时间为137天。通过流式细胞术和基于16S rRNA基因的扩增子测序对微生物进行表征，以阐明块状-生物膜相互作用。

摘要：本研究利用一个试点规模的分配网络，研究了温度升高（16°C、20°C、24°C）和水源变化（处理过的地下水和地表水）对块状和生物膜群落的影响，持续时间为137天。通过流式细胞术和基于16S rRNA基因的扩增子测序对微生物进行表征，以阐明块状-生物膜相互作用。结果表明，随着温度的升高，细菌块状细胞密度增加，而水源变化显著影响了块状细胞密度和群落组成。此外，通过流式细胞术结果拟合生长曲线，发现在处理过的地下水中，高温下的生长率和承载能力更高。相比之下，生物膜细胞密度不受温度影响。从第70天开始观察到成熟的生物膜，并识别出一个对温度和水源变化具有弹性的核心生物膜微生物组。这些发现强调了水源质量对于维持饮用水系统生物稳定性的重要性，特别是在面对环境条件变化时。

背景：气候变化的影响日益显著，表现为气温上升、降水事件加剧和干旱威胁，这对确保用户端的安全和高质量饮用水构成了挑战。饮用水分配系统（DWDS）对温度变化特别敏感，其波动范围从冬季的微小偏差到夏季高达20°C的变化，城市地区甚至可能出现高达25°C的峰值。这些季节性变化主要源于管道周围土壤的热特性以及原水来源的影响。一般来说，较高的温度会刺激微生物的生长，并导致微生物群落的变化，从而赋予某些物种竞争优势。例如，某些病原体（如军团菌和大肠杆菌）已知在较高温度（约30°C）下会大量繁殖。因此，考虑气温上升对饮用水块状质量和细胞密度在分配过程中的长期影响是重要的，因为预计会对水微生物学产生影响。

主要结果：

温度和水源对微生物群落的影响：

研究发现，温度升高（16°C、20°C、24°C）和水源变化（处理过的地下水和地表水）显著影响了饮用水中的块状细胞密度和微生物群落组成。随着温度的升高，块状细胞密度增加，而水源变化对块状细胞密度和群落组成的影响更为显著。生物膜细胞密度不受温度影响，但在成熟阶段（第70天后）表现出对水源变化的一定响应。

图2.大体积细胞密度和生长速率。A 平均密度（细胞/mL）随时间（天）的变化，对于循环1（16°C，橙色）、循环2（20°C，绿色）和循环3（24°C，蓝色）中的细菌大体积群落。每个时间点，取了生物重复（n = 3）（n循环1 = 363，n循环2 = 364，n循环3 = 364），相应的误差条在黑色中显示。温度对大体积细胞密度有显著影响（p < 0.05，Kruskal-Wallis检验）。B 每个循环的特定生长速率（h−1），在整个实验期间未观察到温度对生长速率有显著影响（p循环1 = 0.59，p循环2 = 0.59，p循环3 = 0.9，Mann–Whitney检验）。C 每个循环的特定生长速率（h−1）和（D）承载能力（细胞/mL）对于处理过的地下水（绿色）和地表水（蓝色）。使用抖动图和箱线图来表示图2B–D中的数据。循环1（16°C）、循环2（20°C）和循环3（24°C）的抖动分别用橙色、绿色和蓝色点表示。黑色点是箱线图计算的异常值。使用‘ns’表示统计学上不显著，‘*’表示p < 0.01，‘**’表示p < 0.001（Mann–Whitney检验）。

微生物群落的动态变化：

通过流式细胞术和16S rRNA基因扩增子测序，研究发现处理过的地下水在高温下具有更高的生长率和承载能力。水源变化对块状和生物膜细胞密度有显著影响，尤其是在20°C和24°C的循环中。识别出一个对温度和水源变化具有弹性的核心生物膜微生物组，主要由Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria组成。

图3.批量表型和基因型组成。实验期间在线FC结果的细胞计量指纹的PCoA分析。处理过的地下水和处理过的地表水分别用绿色和蓝色表示。测序的采样时间点在每个循环中都有指示。每个循环的统计结果显示水源有显著影响（nLoop 1 = 363，nLoop 2 = 364，nLoop 3 = 364，p < 0.05，PERMANOVA）。B 在每个循环的第0天、14天、70天、91天、116天和137天，水体中18个最丰富家族的相对丰度。使用绿色和蓝色分别指示处理过的地下水和地表水的顺序。在每个时间点，每个循环取一个水样（n = 1）。

结论和实际意义：

水源质量对维持饮用水系统生物稳定性至关重要，特别是在面对气候变化和环境条件变化时。

一旦生物膜成熟，其组成将保持稳定，不受温度变化的影响。然而，水源质量的变化可能会导致块状水微生物群落和密度的变化，从而影响用户端的水质。该研究为理解饮用水分配系统中微生物动态提供了重要的生态学见解，并有助于饮用水行业实现可持续发展目标提供安全的饮用水。

结论：

温度升高（16°C、20°C、24°C）和水源变化（处理过的地下水和地表水）显著影响了饮用水中的块状细胞密度和微生物群落组成。随着温度的升高，块状细胞密度增加，而水源变化对块状细胞密度和群落组成的影响更为显著。生物膜细胞密度不受温度影响，但在成熟阶段（第70天后）表现出对水源变化的一定响应。识别出一个对温度和水源变化具有弹性的核心生物膜微生物组，主要由Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria组成。水源质量对维持饮用水系统生物稳定性至关重要，特别是在面对气候变化和环境条件变化时。一旦生物膜成熟，其组成将保持稳定，不受温度变化的影响。然而，水源质量的变化可能会导致块状水微生物群落和密度的变化，从而影响用户端的水质。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41545-024-00371-0