2024, Vol. 45
雨水资源的开发利用被认为是21世纪解决水资源短缺问题的重要途径之一[1~3]. 然而在城市化发展过程中雨水是把双刃剑, 随着不透水下垫面占比的增加, 在提高了城市内涝和生态环境风险的同时又创造了雨水资源集汇利用的机会[4~6]. 因此, 合理的储存方案是平衡矛盾的关键. 为了提高雨水资源的储用效率, 近些年雨水储水水质特征及安全保障受到了广泛关注[7, 8].
有研究发现雨水在长期储存条件下, 其理化特征和微生物质量会得到明显改善且不受季节特征和构筑物材料类型的影响[9~11]. 同时, 浊度和有机物会随着储水时间的增加而呈指数规律降低, 但普遍存在细菌总数超标和病原体出现等问题[12~14]. 因此, 雨水储水过程中可能会出现微生物作用下的水质二次污染现象, 为雨水利用带来不可忽视的健康风险. 将储存雨水用于生活和其他目的前须对水质进行监测, 且应明确微生物作用下的水质演变过程及关键影响因子, 以便在提高雨水储用效率的同时, 降低潜在的公共健康风险[15~17]. 目前, 国内外研究主要从储水周期和处理消毒两个方面讨论雨水储存过程中的理化及微生物特征变化[18, 19]. 关于雨水储存过程中的水质演变规律以及关键环境因子与微生物代谢作用下的交互响应鲜有研究.
本研究长期监测雨水储存过程中水污染特征变化, 综合解析水质演变规律, 通过构建不同储水材料（PE、玻璃）和不同DO（密封、曝气）调控的储水形式, 采用16S rRNA微生物多样性测序技术和环境因子关联性等分析方法, 进一步探明水质与微生物群落演变的影响因素以及环境因子与病原微生物间的关系, 以期为雨水储水水质安全保障与高质量回用提供理论支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况及采样点的布设本研究的雨水收集地点设在某西北高校的校园内. 该区域人口密度适中, 周围包括居住区和文教区等不同功能区, 人为活动所形成的大气污染特征较为稳定, 同时城区降雨分布较为均匀, 无其它人为活动等的干扰.
1.2 样品采集与实验设置 1.2.1 采样方法及装置设置将容积为50 L的PE集水桶放置在建筑物落水管下方, 降雨事件发生屋面产流开始时立刻开始收集, 待其收集满后搅拌均匀并分装至6个容积为5 L的PE和玻璃材质储水罐中进行室温储存, 储水周期为40 d. 3种储水形式并设置对照组：①PE材质密封；②PE材质曝气；③玻璃材质密封. 间隔5 d取一次水样, 测定DO、pH、EC、ORP、浊度、COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N；每20 d测定一次DOM及微生物. 时间序列样品放置4℃下保存, 同时进行样品预处理和相关理化指标的测定, 微生物样品放置于-80℃冰箱保存并及时进行检测.
1.2.2 测定方法本研究检测的水质指标主要包括储存雨水的DO、pH、EC、ORP、浊度、COD、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、DOM以及微生物（真菌和细菌）, 具体的检测方法见表 1.
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表 1 水质测定方法 Table 1 Water quality measurement methods |
1.3 数据分析方法
本研究采用Origin 2018软件分析屋面雨水各理化指标与常规污染物在储水周期内时间序列上的变化规律. 基于三维荧光光谱分析DOM的迁移转化过程. 采用Spearman相关性分析法探究各指标之间的相互作用关系.
2 结果与讨论 2.1 储水水质变化特征分析 2.1.1 理化性质变化特征DO是储水水体的重要组分, 影响整个储水周期的水质、微生物类群以及系统微生态功能, 需氧微生物利用氧气进行新陈代谢和营养物质循环, 在此过程中系统DO浓度变化规律反映水体自净过程[20]. 由图 1（a）可知, 雨水进入储水系统前的DO处于饱和状态, 这与径流冲刷过程中的大气复氧效应密切相关, 直至静态储存过程中DO浓度开始有明显下降. 本研究采取密封和曝气两种氧调控方式, PE曝气储水形式下的DO浓度维持在储水初期的DO水平. 新鲜雨水密封储存后, DO快速下降, 在第10 d左右达到最低值[PE密封条件下ρ（DO）：5.55 mg·L-1, 玻璃密封条件下ρ（DO）：6.24 mg·L-1], 之后DO出现了一定程度的回升, 分析是该段时间微生物数量的降低, 界面气体交换占主导作用引起的[21].
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图 1 雨水理化性质与COD随储存时长的变化特征 Fig. 1 Characteristics of physical and chemical properties of rainwater and COD changes with storage time |
由图 1（a）和图 1（b）可知, pH与DO具有相同的变化趋势, DO增大pH随之增大. PE曝气储水条件下pH值存在升高的过程, 变化范围为：7.42~7.89, 而PE和玻璃材质密封储水形式下pH值变化趋势相似, 均先下降后上升, 变化范围分别为：6.93~7.53和7.12~7.53, 这与前人的研究结果一致[22]. pH值升高的原因是微生物代谢过程中碱性物质的释放大于二氧化碳的释放速率. 除此之外, 通过对电导率、ORP的测定发现, 3种储水形式下电导率变化特征差异明显而ORP值的变化趋势相似, ORP值均在20~25 d左右达到最低, 由于pH高的溶液通常具有更高的氧化性, 所以最低ORP值（mV）分别为19.3（PE密封）、45.6（PE曝气）和38.1（玻璃密封）, 如图 1（c）和图 1（d）所示.
浊度是直观反映水质特征的指标. 由图 1（e）可知, PE密封和玻璃密封条件下水体浊度均有明显下降, 而曝气储水形式下浊度下降不明显. 出现上述现象的主要原因是静置情况下储水系统中悬浮颗粒物质有良好的沉降环境, 同时具有良好絮凝特性的微生物代谢产物也会加速悬浮颗粒物的沉降, 如胞外聚合物等, 从而导致浊度的降低. 而曝气扰动作用下会破坏物质絮凝及沉降过程, 使得浊度降低的程度较小.
2.1.2 有机物变化特征COD值与三维荧光光谱能反映雨水中有机物含量的变化特征. 3种储水形式储水周期内ρ（COD）变化范围（mg·L-1）分别为：42.16~83.13（PE密封）、47.10~83.13（PE曝气）和40.19~83.13（玻璃密封）. 储水前10 d呈现明显降低的趋势, 10 d后趋于稳定. 因此可知微生物对于COD的降解能力有限, 且COD的降解主要发生于储水前10 d, 如图 1（f）所示. 结合前10 d系统内的DO、ORP和浊度明显降低可知, 颗粒物的沉降和好氧微生物的呼吸作用是COD浓度降低的主要原因. 3种储水形式下, DOM物质组成储存前后变化差异较大. 通过荧光光谱分析发现储水初期荧光峰值较大, DOM主要为色氨酸与富里酸类物质, 如图 2（a）所示. 储水后期DOM主要由溶解性微生物代谢产物与腐植酸物质组成[23], 同时发现这种特征的变化与储水材料的差异相关性不大, 如图 2（b）~2（d）所示. PE曝气与玻璃密封形式下的DOM荧光峰值低于PE密封. 由此可知, 低DO促进了DOM组分由色氨酸和富里酸类物质向溶解性微生物代谢产物和腐植酸转化.
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（a）储水初期, （b）PE密封储水后期, （c）PE曝气储水后期, （d）玻璃密封储水后期 图 2 DOM随储存时期的变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of DOM with storage periods |
营养盐浓度水平通常用来判断水体是否有富营养化而导致水质腐败的趋势. 本研究发现储水初期, ρ（TN）远超水体富营养化的判断标准0.2 mg·L-1, 达到3 mg·L-1以上, 而ρ（TP）远低于标准0.02 mg·L-1. 磷作为藻类等浮游植物生长的主要限制因子之一[24], 使得储水过程中浮游植物过量生长并产生富营养化的风险较小, 储水期间对水质的监测也证实了这一点. 因此, 屋面雨水储水过程中营养盐主要依赖于微生物代谢进行转化. 本研究以氮的转化特征为例, 探究不同储水形式下微生物对氮的代谢转化过程.
由图 3可知, 不同储水形式下TN、NO3--N、NO2--N和NH4+-N浓度变化趋势相似. ρ（TN）随着储存周期的增长而缓慢增加, 变化范围为：3.93~4.9 mg·L-1. ρ（NO3--N）变化范围为：1.54~4.1 mg·L-1. ρ（NO2--N）在储水周期前15~20 d上升至2.0 mg·L-1左右, 20d后开始迅速下降直至0 mg·L-1. ρ（NH4+-N）在储存初期较低为1.54 mg·L-1, 第5 d起不断降低至0 mg·L-1. 通过不同形态氮的转化发现, 储水过程中NH4+-N浓度的降低、NO3--N浓度的升高以及NO2--N的先升高后降低为零是典型的微生物作用下的氮代谢过程[25, 26]. 而后期产生NO3--N积累的现象, 分析原因是由于储水过程中DO浓度高, 缺乏反硝化细菌还原NO3--N的代谢环境而产生. 同时由于微生物的代谢死亡使得水体中的有机氮浓度升高, 从而使得TN浓度在后期升高, 储水过程DOM物质组成变化也证明了这一点. 除此之外, 本研究发现不同储水形式下, 微生物作用下的氮代谢过程差异较小.
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图 3 营养盐随储存时长的变化特征 Fig. 3 Characteristics of nutrient salt changes with storage time |
通过16S rRNA高通量测序技术分别检测了储存初期的雨水、PE密封、PE曝气和玻璃密封储水形式下的中期（第20 d）和后期（第40 d）属水平上的细菌和真菌群落组成.
储存初期、中期和后期的细菌属水平的群落组成如图 4（a1）、4（b1）和4（c1）所示. 储存初期雨水的优势菌为不动杆菌属（Acinetobacter）、鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）和红色杆菌属（Rubrobacter）等. 储存中期, PE储水系统的优势菌变为黄色杆菌（Xanthobacter）和多核杆菌属（Polynucleobacter）等. 不动杆菌属于好氧的条件致病菌, 在密封储存的过程中其丰度急剧减少, DO充足的曝气条件也并未明显影响此类好氧细菌群落的衰亡进程. 军团菌属（Legionella）和多核杆菌属（Polynucleobacter）等致病菌的丰度在储存后期进一步增加. 从储存初期到后期, 真菌群落的优势种由壶菌（Chytridiomycota）等逐渐演变为枝孢霉属（Cladosporium）、青霉（Penicillium）和Talaromyces等腐生真菌, 如图 4（a2）、4（b2）和4（c2）所示. 因此储存的时间越久雨水腐败现象加剧, 回用的安全风险越高.
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（a1）初期-细菌, （a2）初期-真菌, （b1）中期-细菌, （b2）中期-真菌, （c1）后期-细菌, （c2）后期-真菌 图 4 细菌和真菌群落随储存时期的变化特征 Fig. 4 Characteristics of bacterial and fungal communities with storage periods |
由表 2可知, 从储存初期到中期再到后期, 玻璃密封、PE曝气和PE密封储水形式下的Chao1、Ace和Shannon指数都出现了先减少后增加的趋势, Simpson指数出现了先增加后减少是趋势. 因此到储存中期, 细菌的丰度有明显的减少, 储存后期又有所增加. 对比中期与后期的各指数可知, 细菌群落丰度增长的程度与储水方式有关, 玻璃密封条件下细菌群落丰度最大, 其次是PE密封储水, 最后是曝气储水. 因此, 曝气有利于降低细菌丰度. 对于真菌而言, 储存初期到后期玻璃密封、PE曝气和PE密封条件下的Chao1、Ace和Shannon指数都明显降低, 而Simpson指数明显增加. PE密封和PE曝气储水形式下的真菌丰度在储存中期达到最低, 而玻璃密封下的真菌丰度在储存过程中不断降低. 对比中期与后期的各指数可知, 曝气和玻璃材料储水形式有利于抑制真菌丰度的增长.
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表 2 细菌和真菌群落多样性指数随储存时期的变化 Table 2 Changes in bacterial and fungal community diversity indices with storage periods |
2.3 微生物代谢的环境因子关联分析
本文采用Spearman相关性研究储水过程中关键环境因子（DO、pH和ORP等）与微生物群落演替的关联性分析, 结果如图 5所示.
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1. NO3--N, 2. 电导率, 3. TN, 4. COD, 5. DO, 6. ORP, 7. pH, 8. 浊度 图 5 细菌和真菌群落与各环境因子的相关性 Fig. 5 Correlation between bacterial and fungal communities and environmental factors |
如图 5（a）所示, 与DO、ORP、COD、TN、pH和浊度呈现正相关关系的有：Brevundimonas、Sphingobiun、Bdellovibrio和Reyranella等. 其中短波单胞菌属（Brevundimonas）为条件致病菌, 可能会引起免疫力低下群体的肺炎等疾病, 而密封的储水方式可有效抑制短波单胞菌属繁殖, 降低感染风险. 菌胶团（Zoogloea）与DO、COD、TN和NO3--N呈现负相关关系, 说明其对于此类污染物可以起到一定的降解作用. 结合细菌种群演变过程, 储水前5~10 d内假单胞菌等好氧微生物的呼吸作用利用水中有机物进行生长代谢活动, 因此这个阶段的复氧速率小于耗氧速率. 而在DO达到最低点时严格好氧的细菌大量死亡, 此时, 复氧速率开始大于耗氧速率, 至储水40 d时ρ（DO）出现了约1.5 mg·L-1的回升. 作为具有反硝化作用的厌氧菌, 碱铁杆菌属（Ferruginibacter）与NO3--N呈现正相关关系. 军团菌（Legionella）与DO呈现正相关的关系, 且DO最低的PE密封储水形式下军团菌的丰度相对较低, 因此密封的储水方式有利于延缓军团菌的繁殖.
如图 5（b）所示, 与DO、ORP、COD、TN、pH和浊度呈现正相关关系的有Setophaeosphaeria等菌属. Setophaeosphaeria作为一种水生丝孢菌可以降解雨水中的纤维素等多糖. 与DO、ORP、COD、TN和浊度呈负相关的有Coniothyrium和Naganishia等菌属. 与pH呈负相关的有Bradymyces、Mortierella和Naganishia等菌属. 其中, Bradymyces作为一种石生真菌, 通过产生二氧化碳和脂肪酸, 溶解矿物质[27], 而被孢霉属（Mortierella）具有产生不饱和脂肪酸的能力, 因此与pH负相关. 有研究发现, 被孢霉属中如沃尔夫被孢霉（Mortierella wolfii）会引起牛霉菌性流产和全身性真菌病肺炎[28], 通过调控储存雨水的pH值可有效控制被孢霉属水平. 链格孢霉属（Alternaria）、葡萄穗霉属（Stachybotrys）和枝孢霉属（Cladosporium）等病原真菌与DO、ORP、COD、TN、pH、浊度和NO3--N呈负相关关系, 因此, 采取曝气储存的方式有利于抑制上述致病真菌的繁殖.
3 结论（1）不同储水系统水质及微生物演变存在一般规律：储水系统内水质自净, 但COD降解能力有限, 主要发生于储水前10 d；储水过程中主要的DOM组成成分由色氨酸和富里酸类物质向溶解性微生物代谢产物和腐植酸转化；TN和NO3--N浓度在储水过程中增加, 而ρ（NO2--N）和ρ（NH4+-N）降至0 mg·L-1；储水过程中细菌群落丰度先减少后增加, 真菌群落丰度明显降低.
（2）DO调控（密封、曝气）影响雨水理化性质和微生物群落演变. 密封和曝气调控模式下pH、ORP、电导率和浊度的变化存在差异；密封条件有利于抑制军团菌等的增长；曝气对于细菌、真菌群落丰度及一些病原真菌增长有一定的抑制作用.
（3）储水材料（PE、玻璃）影响微生物群落演变. 玻璃材料更利于细菌群落丰度增长, 但对真菌丰度和多核杆菌属（Polynucleobacter）起到抑制作用；传统PE储水材质会促进部分致病性黄色杆菌（Xanthobacter）的繁殖.
（4）储水过程中, DO、pH、ORP、电导率、浊度和COD各水质指标未见明显恶化, 均处于安全范围. 但储水不同阶段均有病原微生物检出, 如不动杆菌（Acinetobacter）在储水20 d后消失, 军团菌（Legionella）、多核杆菌属（Polynucleobacter）和衣原体（Chlamydia）等随储存时间增加. 链格孢霉属（Alternaria）、葡萄穗霉属（Stachybotrys）和枝孢霉属（Cladosporium）等病原真菌与DO、pH呈负相关关系. 采取曝气储存的方式益于抑制上述致病真菌的繁殖.
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