摘要：该研究从生物膜生物量、群落结构与组成、群落组装机制三个维度，系统探讨了氯与氯胺消毒对管网生物膜生长演替的长期影响。

研究背景

饮用水安全直接关系到人们的身体健康。输配水管网中生物膜的形成可能引发水质异味、色度异常、管材腐蚀、微生物再生及条件致病菌增殖等一系列风险。氯和氯胺是最广泛使用的两种消毒剂，但关于氯与氯胺消毒对管网生物膜生长演替影响的研究仍存在显著不足，缺乏长期动态监测，且现有实验多采用先培养后消毒的模拟方式，与实际管网中生物膜在持续消毒压力下的形成机制存在本质差异，常规对照组以去氯水为基准，未能真实反映未消毒原水的微生物选择压力。

主要结果

生物膜生长曲线

经56周培养后，无氯条件下的生物膜生物量达1.7±0.4×10 cells/cm，显著高于氯消毒组（2.6±0.0×10 cells/cm）和氯胺消毒组（1.4±0.8×10 cells/cm），表明两种消毒剂均能有效抑制生物膜的生长。时间维度分析显示，生物膜生物量随培养周期延长呈动态变化，但消毒条件显著影响其增长轨迹。

图1. 56周培养周期内不同消毒条件（无氯-NC、氯胺-MC、氯-FC）下的生物膜生长曲线，以活细胞数（ICC）定量表征生物膜生物量

生物膜微生物群落多样性动态变化

α多样性分析显示，第56周时，无氯条件下的物种丰度最高，其次是氯胺，而氯消毒条件下最低。β多样性的动态变化进一步揭示了群落结构的差异，初始阶段（第0周），所有组群聚紧密，反映出早期群落的高度同质性。无氯组在第3周即显著偏离初始状态，至第36周形成稳定聚类；氯胺组从第7周起持续分化，直至第56周仍呈动态演变；氯消毒组在第7周前群落结构无显著变化，但自第19周后迅速趋于稳定。

图2. 56周培养周期内不同消毒条件（无氯-NC、氯胺-MC、氯-FC）下生物膜群落α多样性（A）与β多样性（B）动态变化

生物膜微生物群落组成动态变化

在第56周时，无氯条件下的生物膜群落主优势门类为变形菌门和patescibacteria候选菌门辐射(CPR)，而在氯胺和氯消毒条件下的生物膜群落则由变形菌门占主导地位。从群落组成的演替动态来看，不同消毒条件下的变化趋势存在明显差异。

图3. 56周培养周期内不同消毒条件（无氯-NC、氯胺-MC、氯-FC）下生物膜微生物在门和物种水平上的动态变化

生物膜微生物群落组装机制

氯与氯胺消毒对生物膜微生物群落组装机制的影响显著且存在差异。在无氯条件下，随机性过程在前36周主导群落组装，随后确定性过程逐渐占据主导地位。在氯胺消毒条件下，随机性过程在整个实验期间占较高比例，尽管自第19周起，确定性过程的影响逐渐增强。在氯消毒条件下，确定性过程全程主导群落组装，仅在第3至11周短暂受到随机性过程的影响。

图4. 56周培养周期内不同消毒条件（无氯-NC、氯胺-MC、氯-FC）下生物膜微生物群落的组装机制

研究结论

尽管氯和氯胺均能有效抑制生物膜生长，但其对生物膜微生物群落的影响存在显著差异。氯消毒显著降低了生物膜的生物量和群落多样性，使微生物群落趋于单一，主要由变形菌门主导。而氯胺虽能有效抑制生物膜生长，却未能降低群落多样性，表明其对微生物群落的选择压力较弱，可能削弱对病原微生物的控制效率。从群落组装机制来看，氯消毒主要受确定性过程驱动，加速了群落结构的稳定化，而氯胺消毒则以随机性过程主导，延缓了群落的稳定。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123566.