The bacteriological composition of biomass recovered by flushing an operational drinking water distribution system
Abstract
This study investigates the influence of pipe characteristics on the bacteriological composition of material mobilised from a drinking water distribution system (DWDS) and the impact of biofilm removal on water quality.
Hydrants in a single UK Distribution Management Area (DMA) with both polyethylene and cast iron pipe sections were subjected to incremental increases in flow to mobilise material from the pipe walls. Turbidity was monitored during these operations and water samples were collected for physico-chemical and bacteriological analysis. DNA was extracted from the material mobilised into the bulk water before and during flushing. Bacterial tag-encoded 454 pyrosequencing was then used to characterize the bacterial communities present in this material.
Turbidity values were high in the samples from cast iron pipes. Iron, aluminium, manganese and phosphate concentrations were found to correlate to observed turbidity. The bacterial community composition of the material mobilised from the pipes was significantly different between plastic and cast iron pipe sections (p lt; 0.5). High relative abundances of Alphaproteobacteria (23.3%), Clostridia (10.3%) and Actinobacteria (10.3%) were detected in the material removed from plastic pipes. Sequences related to Alphaproteo- bacteria (22.8%), Bacilli (16.6%), and Gammaproteobacteria (1.4%) were predominant in the samples obtained from cast iron pipes. The highest species richness and diversity were found in the samples from material mobilised from plastic pipes. Spirochaeta spp., Meth- ylobacterium spp. Clostridium spp. and Desulfobacterium spp., were the most represented genera in the material obtained prior to and during the flushing of the plastic pipes. In cast iron pipes a high relative abundance of bacteria able to utilise different iron and manga- nese compounds were found such as Lysinibacillus spp., Geobacillus spp. and Magneto- bacterium spp.
1. Introduction
Drinking Water Distribution Systems (DWDS) are complicated engineering systems consisting of pipes, storage vessels, fit- tings, valves, etc. made of a variety of different materials such as cast iron, PVC and polyethylene that interact with the bulk water. The water that consumers drink at the tap has travelled potentially large distances taking significant durations through the distribution network and it is accepted that from leaving the treatment plant deterioration in quality might occur. This deterioration in water quality will be influenced by factors such as decay of disinfectant residual, temperature, hydraulic regime, water residence time and bacterial re- growth (Machell et al., 2010; Ramos et al., 2010).
Background concentrations of various dissolved sub- stances and fine particles of different origin do enter DWDS within the bulk flow, and these substance and particles can accumulate forming layers of material attached to the internal surfaces of pipes (Husband and Boxall, 2011). There are different ways in which particles can enter in the system; suspended in the source water, in chemicals added at the treatment plant, ingress via pipe repairs, though cross- connections or fissures in the system, or released as prod- ucts originated from the corrosion or erosion of pipes. Despite the maintenance of a disinfectant residual in most developed countries, microorganisms can proliferate and survive form- ing biofilms attached to pipes (LeChevallier et al., 1987; Szewzyk et al., 2000). While fungi, viruses and protozoa are also inhabitants of DWDS, we have focused our study on the characterization of bacteria since these microorganisms are dominant in drinking water biofilms due to their enhanced ability for producing extracellular polymeric substances, rapid growth and adaptability (Chaves Simoes and Simoes, 2013).
If the shear stress at the pipe wall exceeds the normal daily values, the material accumulated at the pipe wall and condi- tioned to the normal forces will be mobilised into the bulk water (Husband and Boxall, 2010). The mobilisation of mate- rial from the pipe wall does not only result in aesthetically unacceptable discoloured drinking water (Husband et al., 2008) but also releases microorganisms into the network (Lehtola et al., 2007). Typically discolouration events occur when there are significant changes in the hydraulic condi- tions, such as rezoning, changing seasonal demand or pipe bursts (Prince et al., 2003). Most of the particles associated with discolouration events in DWDS contain iron and man- ganese (Seth et al., 2004). Although it has been suggested that microbial biofilms may play an important role in discoloura- tion, the role of biofilms in the accumulation of particles, such as iron and manganese in DWDS is not well understood.
It is commonly accepted that the material removed by flushing pipes is a combination of water, biofilms, suspended solids and what hydraulic engineers identify as soft or loose deposits (Zacheus et al., 2001; Batte ́ et al., 2003a). The main aim of this study was to characterise the bacteriological composition of the material removed from operational pipes during a flushing scheme, independently of the phase or category of material/substratum that these bacteria might be associated to.
4. Discussion
4.1. Water physico-chemical characteristics and effect of flushing on water quality
The turbidity results indicate that both the polyethylene and cast iron pipe sections have accumulated material that was
mobilised when the flows and corresponding shear forces on the pipe walls were increased. These data suggest that higher quantities of material are developed on cast iron pipes over time and that the material accumulated on this type of pipes appears to be more sensitive to flow changes when compared with
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
生物质中的细菌组成通过冲洗运行中饮用水配水系统得以恢复
摘要
这项研究调查了管道的特性对从饮用水配水系统中被去除物质细菌组成的影响和生物膜的去除对水质的影响。
通过增加含有铸铁管和塑料管的单独的英国配水地区中的消防栓中的流量，收集从管壁上去除的物质。在这些操作的期间，浊度需要一直检测，此外，收集水样进行物理化学和细菌分析。从在冲洗时管壁去除进入水中的物质中提取DNA。然后用细菌标签编码454焦磷酸序列来表征出现在物质中的细菌群落。
铸铁管水样浊度值高。铁、铝、锰、磷酸盐的浓度与检测的浊度值相关。从管道中去除的物质中的细菌群落组成在铸铁管和塑料管中存在显著的不同（Plt;0.5）。从塑料管中去除的物质中检测出了alpha;—变形菌（23.3%）、梭菌属（10.3%）和放线菌（10.3%）的高相对丰度。有关alpha;—变形菌（22.8%）、芽孢杆菌（10.3%）和gamma;－变形菌（1.4%）的序列在从铸铁管获得的水样中十分丰富。在冲洗塑料管之前和冲洗过程中，螺旋菌属、甲基杆菌属、梭菌属、脱硫杆菌属是最多出现在获得的物质中的菌属。在铸铁管的水样中，分别可以利用铁和锰的细菌的高相对丰度，例如：球形芽孢杆菌属、地芽孢杆菌、磁杆菌属。
1引言
饮用水配水系统是复杂的工程系统，包括管道、储水容器、管件、阀门等，由丰富的不同的材料制成，例如铸铁、PVC以及能与大量水相互作用的聚乙烯。消费者从水龙头喝的水可能已经在配水系统中流动了很长的时间，人们普遍认为，水离开水处理厂后，水质就可能开始恶化了。水质的恶化会受到诸如消毒剂残留、温度、水力工况、水力停留时间和细菌再生长的影响。
各种溶解物质的背景浓度和不同来源的微粒进入饮用水配水系统的水流中，此外这些物质和颗粒能聚集形成粘连在管道内表面上的物质层。颗粒进入系统的方式多种多样：悬浮于水源水中进入，通过加入到处理构筑物中的化学药剂，通过管道维修进入，通过系统中的十字接头或者裂隙进入，或者作为管道侵蚀或腐蚀的产物释放到水中。尽管真菌、病毒以及原生动物都栖息于饮用水配水系统中，我们仍旧集中于研究细菌的特性，因为这些微生物是饮用水生物膜中的优势物种，由于其产生胞外聚合物、快速生长和适应性强的能力。
如果管壁所承受的剪切力超过了标准的日常值，这些适应于正常值并且积累在管壁上的物质会被从管壁上去除进入水中。从管壁上去除的物质不仅仅在美观上不能接收的变色饮用水，而且释放了微生物，进入了管网。当水力条件发生了显著变化诸如重新分区、季节性需求改变或者水管破裂，变色水事件就会发生。与在饮用水配水系统中的变色水事件有关的大多数颗粒是含有铁和锰的。尽管这已表明生物膜对水变色起着重要的作用，但是，在饮用水配水系统中生物膜对例如铁和锰颗粒积累的作用还不是很清楚。
人们普遍认为，通过冲洗管道去除的物质是生物膜、水、悬浮固体、水力工程师鉴定为松软或松散的沉淀物。本研究的主要目的是表征在冲刷时运行管道中去除的物质的细菌组成，与与这些细菌可能相关的材料/基质的相和种类无关。
4.讨论
4.1水的物理化学特性和冲刷对水质的影响
浊度的结果表明，当管道的流量和相应的剪应力增加时，无论是聚乙烯还是铸铁管都已经积累了被调动的物质。这些数据表明，随着时间的增加，铸铁管内会积累更多的物质，而且与聚乙烯管道（图三）相比，在这种类型管道中积累的物质对水量变化的影响更加敏感。这与Boxall（2011）和她丈夫的观察是一致的，与此同时更加深化了他们认为无论是塑料管还是铸铁管都普遍存在从大体积水中可溶性微粒物质背景浓度中积累物质的观点，而且在铸铁管中存在与腐蚀相关的进一步的积累过程。
欧洲饮用水检测部98/83/EC对人类消费水质检测规定：经过有效的消毒后的系统内浊度应低于1NTU。此外，当浊度大于5NTU时水会出现颜色。当铸铁管被冲洗时浊度会接近或超过200NTUs（图3），水变成了深红色。金属浓度与浊度成正相关，当金属含量增加时浊度等级会更高。铸铁管的腐蚀促进了铁颗粒在系统中的积累。此外，金属在水处理厂作为混凝剂用于去除有机物，其残余物质可以进入配水系统并且在管道中沉淀。饮用水中多余存在的这些金属可以引起水变色和/或味道的变化。一般情况下，为了防止水变色的情况的发生，对系统适当的冲洗方案可以帮助控制金属化合物的积累。然而，大多数的这些冲洗方式只能限制生物膜长到一定的程度，并不能完全的去除系统中的微生物。
在水样中，从铸铁管中获得的磷酸盐的浓度高并且与浊度和两种管道的金属成正相关（图4）。正磷酸盐和多磷酸盐作为腐蚀抑制剂加入到饮用水中用来防止管道中铅和铜的浸出和释放。正磷酸盐和溶解的金属反应在管内壁上形成保护层，多磷酸盐与金属紧密结合存在于溶液中。尽管磷的加入可以带来有益的影响，但是磷酸盐的加入是怎样影响微生物的生长和多样性的还不得而知。一些作者提出磷酸盐促进生长和/或增加生物的多样性，而其他作者提出磷酸盐不影响总生物密度和生物膜的生长。相反地是，其他的研究报道磷的加入导致饮用水处理生物反应器中的微生物多样性减少。鉴于这个研究的结果，需要进一步的研究来弄清磷酸盐对栖息于运行的饮用水配水系统的微生物种群以及对生物膜的生长的影响。
4.2含有从配水系统中去除物质的水样的常规微生物特性
我们从两个冲洗点获得的水样中检测出了较高的柄细菌和杆状菌丰度。杆状菌的出现和细胞质的挤压有助于细菌附着于表面，并增加了细菌的总表面积，因此提高了它们对养分的摄取能力，特别是在营养匮乏的环境下，例如饮用水配水系统。柄细菌在经过冲洗的铸铁管水样中含量特别丰富。这些细菌是Hypomicrobium属的主要细菌，这类细菌常常与铁和锰的沉淀有关。这些通常需要运用显微镜技术观察，从那些栖息于配水系统中的细菌中发现的杆状菌覆盖于不溶解的铁盐沉淀物的表面。
所有样本的16S rRNA文库由常常存在于饮用水配水系统中的alpha;变形菌支配，并且在作为消毒剂残留的氯网络中存在十分丰富。delta;变形菌也十分丰富地存在于从两种管材中去除的物质中。其丰富的存在可能是由于那些细菌中的一些有能产生抗消毒剂孢子的能力。这种抵抗力将有助于他们在系统中的生存。梭状芽孢杆菌也广泛的存在于所有的研究水样中。我们推测，为了在配水网络中生存下来，这些专性厌氧菌必须被保护在形成42个月以上的厚生物膜里面。属于该属的物种也可以通过形成孢子而生存在水环境中。例如，在流动的淡水中，梭菌属的物种以孢子的形式存在，当这些孢子在河流中找到了贫氧区时，他们可以发芽成为活细胞。产气荚膜梭菌可以作为饮用水处理效果的指标。然而，鉴于大多数序列仅仅归类于属的水平，我们并不能在我们的数据中确定出特定的物种。
在所有的水样中可以检测出相同的属，但是根据管材的不同有着不同的相对丰度，分析的水样来自包括梭菌属、黄杆菌、硝氨醇单菌属、假单胞菌属。所有细菌之前在饮用水系统中被发现，作为重力水中的浮游细胞或在配水系统模拟装置中形成的的部分生物膜或配水网络中的水表。黄杆菌属和假单胞菌属为作为饮用水中生物膜形成初级阶段的先驱所知。我们可以证实，其存在于一个运行的饮用水网络中管道上掉落的材料中，并且成为了我们可以称之为成熟生物膜的一部分。
4.3管材对生物群落结构的影响
从塑料管和铸铁管掉落物质中的细菌群落结构在不同的分类级别中存在着明显的不同（图5和图6）。值得注意的是，聚乙烯 管道的水样中螺旋体菌属丰度很高，铸铁管水样并非如此。属于这个菌属的物种是厌氧菌或者兼性好氧菌，他们只能利用碳水化合物作为基质生活。这些细菌能够很好的生活中养料匮乏的环境中，其成功的生存在饮用水配水系统中的原因可能是其流动结构使其可以分散栖息于心得表面上。一些螺旋体物种与其他细菌如梭菌属的共生关系在其他水环境中已有报道。这种类型的共生关系也可以解释为何这些属的细菌在饮用水配水系统中有很高的丰度。这些细菌的控制和管理对于塑料管中生物膜对水质的影响十分重要。
在从铸铁管段获得的水样中，有较多的专门以铁和锰化合物为生的细菌（图6）。例如：Lysinibacillus属，它生存在自然界的土壤中可以氧化锰；土芽孢菌属，它可以吸收包括铁在内的几种重金属；Magnetobacterium属，它可以在细胞内积累磁铁矿（铁矿物，四氧化三铁）， 它是一种水生细菌，常存在于垂直化学梯度分层环境中的好氧与缺氧过渡段，它存在于冲洗前和冲洗中的铸铁管的水样中，这表明那些从管道中分离的物质是不同生物膜层的混合，在氧气垂直梯度（即好氧、缺氧和过度段）之外独立存在于在管壁上积累的物质中。水样中的铁浓度和一些铁细菌如Magnetobacterium菌属和同样检测（但未显示）的地芽孢杆菌的相对丰度之间呈显著的正非参数相关（Plt;0.01）。此外，还表明了在腐蚀管道中形成的突起为铁细菌提供了生存的微环境，甚至帮助了他们在管道中的进一步积累。鉴于他们被保护起来阻碍了消毒剂进入生物膜，对这些细菌的去除是困难的。也许对于干净管道，水喷射和蒸汽注入的方法是必要的。此外，任一的一种清洁策略都只是一种短暂的措施，这些细菌在管网中的彻底去除是不现实的。因此，弄清楚他们的习性和重要性可以帮助我们在未来创造出新的管理策略。
之前对于饮用水管网中生物群落的研究表明，铸铁管边界的表面更加有利于微生物的生长。例如，在现代的饮用水配水系统中相比于PVC，无内衬铸铁管中检测出了更多的细菌，并且铸铁管中的微生物的伸生长是塑料管的10-45倍。尽管所有的条件并不是完全一致，例如管道的直径和日常制度，但是影响水样中细菌组成的关键因素是管道材料的类型。管道的长度和直径主要影响生物膜的数量和生长速度，每日的水力工况影响着生物膜的物理特性例如生物膜与管道的紧密程度，但是不会这些不会显著地影响生物膜的微生物组成。此外，因为两种管道都是供给的相同的水源，那些从铸铁管上分离出来可以利用铁和锰的细菌的高相对丰度以及此相对丰度与铁含量的关系证实了管道材料是决定两组测试点组成不同的主要因素。
最新的研究结果表明在运行的配水系统中，铸铁管段的水样被检测出含有较高的浊度，这支持了更多的颗粒和与这些颗粒相关的微生物从铸铁管中检测出来的观点。然而，与聚乙烯管相比，铸铁管水样中的细菌群落具有较少的多样性。有研究表明，聚乙烯可以释放可以促进微生物生长的可生物降解的有机物。一些研究表明塑料可以促进生物膜的生长，例如范德等人证明了相比于不锈钢和铜，交联聚乙烯（PEX）使生物膜以较高的速率生长。莱赫托瓦拉等人表明了聚乙烯管通过释放磷促进了微生物的生长。相似的是，实验室对于细菌粘连的研究表明细菌对于聚乙烯材料的粘连程度大于对其他的材料。这也表明了，相比于亲水材料例如金属，细菌会更加快速地粘附于非极性的疏水材料例如塑料的表面。从我们的研究结果中，我们可以得出以下结论：从聚乙烯管中分离的物质具有较高的生物多样性，从铸铁管中分离出的物质中生物数量较高。这表明了，在铸铁管中，因铁细菌和锰细菌的主导，具有较少的群落的多样性，此外，通过水力冲刷的作用，生物膜和相关颗粒的数量高。相反的是，聚乙烯管道中的生物多样性较高，但是再冲刷过程中聚集的物质较少。
特别的是，蓝藻出现在一些铸铁管的水样中。令人惊讶的是，它们通常依靠光生活的。蓝藻早已在饮用水中发现，，他们也许是通过水处理构筑物进入到配水管网中的，但是如果他们活着，他们是怎么在黑暗中在生物膜上生存的依旧是未解之谜。一些研究中检测出的蓝藻也许可以短暂的在黑暗缺氧还原环境中存活，但是也有可能它们只是被困在了生物膜里并且不能进行代谢活动。因为一些蓝藻能够产生毒素，所以他们被环境保护局（EPA）视为饮用水中的一种污染物。然而，产生这种被检测出来的毒素，蓝藻必须在水源中形成水华，一种只能在夏天高温或者水高度富营养化的情况下才会发生的现象。
4.4冲洗步骤对生物群落结构的影响
我们观察的是两种不同管材的管道冲刷前和冲刷时水样的生物种群组成的不同，但是这些最可能来源于冲刷前水样特定的特征。冲洗前水样是在冲洗少量水之后通过消火栓收集的，因此其代表的是在管道终端中重力水的细菌组成。
从浊度结果中可以看出，在铸铁管中，第一次流量增加（冲洗1.1）去除的物质比第二次（冲洗2.2）多（图3）。这表明了从管道上的物质大多数在第一次水力条件改变时去除，但是还是有一些遗留在管道内，只能通过进一步增加水力才能去除。铸铁管中不同冲洗步骤的水样中的不同的细菌群落的相对丰度在纲和属的层次上存在这明显的区别。在冲洗过程中特别是在第二次冲洗中的水样中Hypomicrobium、Serratia、Methylocapsa属的细菌增多，表明了这些细菌与更强劲的粘附材料有关系（图6）。然而铸铁管水样的基于OTU的分析并没有显示出随着水剪切应力的增加，其水样细菌的丰富性和多样性有着显著的不同。这个结果说明了那些需要进一步处理才能去除的物质层与那些第一次水量增加就可以去除的物质相比，在群落结构上并没有明显的区别，这就表明了那些从铸铁管管壁上去除的物质层有着同样的细菌组成与剪应力的使用无关。研究表明，和塑料管相比小管径的铸铁管可能会影响观察的结果以及物质附着于这种类型管道的强度。然而，因为现场试验过程中的技术局限性，进一步的增加冲洗速度是不可行的。因此我们不能判断是否更高的冲洗速度能进一步的去除不同细菌种群的物质。因此，这表明了在能实现的冲洗速度下，冲洗剪应力并不是决定在不同检测点检测的细菌群落不同的主导因素。
5结论
本研究表明，在一个单独配水区域内位置十分相近并且流动着来自同个水源水的不同材料的管道中去除的物质在生物群落方面存在着明显的差异。尽管例如日常管理制度、管径等条件是不可能完全相同的，但是，从铸铁管中得到的水样中铁细菌和锰细菌的高相对丰度以及其中一些细菌相对丰度与铁浓度的相关性，表明了管道的材料是决定生物群落结构的主要因素。在冲洗铸铁管过程中获得水样的浊度高于从塑料管段获得的水样。浊度与铁、锰、磷酸盐的浓度呈正相关。虽然塑料管水样中的浊度低，但是，相比于铸铁管的水样，其生物丰富性和多样性较高。这些研究清楚的表明了，在饮用水配水系统中，基础设施对于物质积累以及释放过程的重要性。虽然水源可能决定着微生物活动的整体水平且
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148824]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
