农村生活污水处理及资源化利用过程中的微生物群落分析及风险评估

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新农村建设的快速发展导致农村生活源和农业面源污染等环境问题日益突出,特别是农村生活污水排放量增大带来的环境压力和处理成本的增加。生活污水在农业灌溉方面的再生利用被认为是改善水资源布局和解决水资源短缺问题的一项合理且可持续的替代方案,但需要对其潜在的环境危害给出科学评估。利用生活污水作为灌溉用水具有一定的可行性,一方面可降低处理成本,另一方面能够在一定程度上改善土壤肥力,减少传统肥料的施用量并提高作物产量。然而,污灌同时也存在盐分和重金属在土壤中累积以及病原菌微生物污染作物的风险。  本文选择农村地区典型的分散式处理技术膜生物反应器工艺(MembraneBio-reactors process,MBR),对其水质参数变化进行连续实时监测。应用分子生物学技术手段如16SrRNA基因克隆文库、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(Real time quantitative PCR)等研究工艺流程不同处理阶段微生物的群落变化以及常见病原菌的发生率和去除率。同时,通过设计盆栽试验,评价短期污水灌溉对土壤和蔬菜理化性质的影响,并对不同处理间的叶际和根际微生物群落以及病原菌进行定性定量研究,初步探讨了污水作为灌溉水源再生利用的可行性。研究结果不仅揭示了农村生活污水处理过程中微生物群落的动态变化以及病原菌的发生率和去除率,也为污水资源化利用的可行性提供了理论基础。主要研究结果如下:  1)采用国标方法检测MBR处理工艺连续三个季节的各项水质参数。结果表明,不同季节的生活污水经过处理后的各项指标无显著差异,基本符合各类排放标准,仅氮磷含量超标且随季节变化呈现较大差异。  2)结合传统的培养方法和荧光定量PCR方法检测污水中的卫生指示菌和潜在的病原微生物。结果显示,处理后的再生水中卫生指示菌均得到了有效去除,而不同潜在病原微生物的去除率存在差异,处理后的再生水中气单胞菌、弓形菌、产气荚膜梭菌、大肠杆菌和哈曼属原虫的数量减少了1.46log~2.54log,而艰难梭菌和军团菌的数量减少的幅度较小仅有0.32log~0.51log,去除效果不够理想。  3)基于T-RFLP方法比较分析不同季节同一农村生活污水处理系统各阶段细菌的群落结构和动态变化。综合物种丰度和多样性指数可以看出,不同季节的各处理阶段细菌群落结构存在较大差异,其中春季的群落物种丰度和多样性明显高于夏季和秋季。根据微生态学理论细菌的多样性和相对丰度与处理系统的稳定性呈正相关,因此,结合水质参数可以看出春季污水处理系统的稳定性要高于夏季和秋季。  4)利用标准方法检测不同盆栽试验处理的土壤理化性质和生菜品质,并采用荧光定量PCR对叶际和根际病原菌进行定量检测。结果显示,短期污水灌溉并未对土壤理化性质和生菜品质产生不利影响,除了原污水处理增加了土壤脲酶和碱性磷酸酶活性,并且生菜的可溶性糖和硝酸盐含量也略有增加。与清水处理相比,再生水处理的叶际和根际病原菌定量结果差异不显著,而原污水处理病原菌数量则明显高于其他处理。因此,初步认为处理后的再生水可以作为灌溉水源,未经处理的污水直接回用则会带来潜在的健康风险,还需要进一步深入研究。
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