再生水为水源时微润管堵塞现象及其原因探究

许 萍，宋宜林，欧玉民

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044）

0 引 言

随着我国城市化进程不断推进，城市绿化率逐渐增大，灌溉用水资源供需矛盾愈发凸显[1]，为解决灌溉水资源短缺问题，应当从节水灌溉、广辟水源两方面并行研究[2]。微润灌溉是一种利用功能性半透膜作为灌溉输水管，借助压力迫使水分从微润管中渗出，将水精准输送至作物根区进行灌溉的节水灌溉技术[3,4]，已经广泛应用于农业生产中，对提升节水增产效应有重大意义[5]，具有水利用率高，运行成本低等优点[6,7]，同时能够避免输水与人体直接接触，是利用再生水等非常规水资源灌溉的适宜方式。

当前关于微润灌技术的研究主要集中在水力特性及生产应用等方面[8,10]。微润管灌溉运行过程中，微润管堵塞问题是影响系统运行安全及使用寿命的主要问题，但目前针对微润灌系统堵塞问题的研究集中在水中泥沙等不溶性颗粒物方面[11,13]，而再生水中含有的微生物以及溶解性物质对微润灌系统的堵塞特性及机理缺乏相关成果支持。本文通过微润管对比出流量变化，得到堵塞程度随时间变化规律，并对微润管堵塞物质各组分含量进行检测，明确生物膜中具体成分含量变化规律，基于Miseq 高通量测序技术检测结果，分析管段内微生物种群构成以及物种演化过程，进一步研究微润管的堵塞机理。旨在为解决微润管微生物堵塞问题及更大范围推广微润管应用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置与材料

试验在课题组自行设计搭建的实验平台上进行，试验装置示意图，见图1。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

平行设置两个水箱，一个是再生水水箱，另一个是空白对照组自来水箱；再生水水质指标值，见表1。水箱中设置电加热装置维持水温为25 ℃（±1 ℃），采用潜水泵作为动力源，并设置回流管，结合分流原理维持系统供水压力为0.02 MPa（±0.005 MPa）。每种水源条件设置微润管15 根，微润管外以PVC 管包裹用于收集出水，PVC 管另一端接排水管将水收集至置于天平上的锥形瓶中，测量累积出流量。补充集水器及压力传感器，保持每一根微润管压力相同。

表1 试验再生水主要水质指标Tab.1 Main water quality indexes of reclaimed water

本研究所采用的微润管购买自北京微润灌溉科技有限公司，内径16 mm，内壁半透膜膜孔大小为10～900 nm，出水流量范围在60～160 mL/(h·m)，为减少管段中水利偏差对试验结果产生的影响，试验用管段长度均为1 m。

1.2 出流量及堵塞率测定

考虑到微润管出水量微小，难以采用流量计等方式对出流量进行测量，因此采用天平称重的方式进行计量，天平型号为AL104，精度0.1 g，试验过程中每日22∶00 对天平读数进行记录，得到过去24 h 累计水量变化数据，换算成每小时流量数据。

微润管的堵塞率采用公式（1）计算：

式中：EC为微润管堵塞率，%；q0为微润管起始流量，mL/h；qi为第i天微润管出流量，mL/h。

1.3 胞外聚合物（EPS）组分分析

将不同流量下降率对应的微润管取出，选取每根管材中心位置5 cm 长的管段作为样本，将其放入样品袋中并加入15 mL蒸馏水，放入超声波清洗机中进行震荡脱膜处理3 h，脱模处理后将样品袋均匀摇晃10 min 以防止堵塞物质残留并将液体混合均匀，收集样品袋中浑浊液体进行离心处理（10 000 r/min，30 min），分离样品上清液，吸取分离后的沉淀物进行EPS 物质含量检测。堵塞物质中多糖含量采用苯酚-硫酸法测定，蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定[1]。

1.4 Miseq高通量测序

将微润管堵塞50%（WR50）及堵塞100%（WR100）时的管段取出，按照1.3方法提取生物膜样本，依次进行DNA抽取、PCR 扩增、荧光定量、高通量测序等分析。采用德国Qiagen 公司的QIAquick Gel Extraction Kit 试剂盒抽取DNA，以基因组DNA 为模板，采用引物CCTACGGGNGGCWGCAG/GACTACHVGGGTATCTAATCC 对16S rRNA V3-V4区基因序列进行两轮PCR 扩增。之后用2%琼脂糖凝胶电泳纯化PCR 产物，然后对目的片段进行切胶回收。构建好的文库经过Qubit Fluorometer 检测定量合格后，对扩增产物进行Illumina MiSeq高通量测序。

2 结果与分析

2.1 微润管出流量随时间变化规律

自来水及再生水条件下微润管出流量随时间的变化规律，见图2。

根据图2，自来水水质条件下，整个实验过程中，微润管出流量缓慢下降，但始终不低于60 mL/h，没有发生严重堵塞；而在再生水水质条件下，随时间变化微润管出流量有明显波动，在前312 h 内微润管出流量缓慢下降，趋势与自来水工况大致相同，从73 mL/h 下降至63 mL/h 左右，之后直至实验结束，微润管出流量呈现不同幅度的下降趋势，在第328 h时流量下降率达到25%，之后仅间隔114 h，在442 h时迅速下降至50%，随后在第926 h 达到75%，第1 134 h 时升至90%，此时微润管基本完全堵塞。

图2 两种水质条件下微润管出流量随时间变化规律Fig.2 Variation of discharge of moistube with time under the condition of tap water and reclaimed water quality

根据图2，微润管出流量在不同时段内与时间呈现不同的线性关系，因此在不同时段内对其出流量Q与运行时间t进行线性拟合（即Q=ct+d，c、d为拟合常数），发现在不同时段内，出流量随时间变化分别呈现良好的线性关系，见表2。

表2 再生水水质条件下微润管出流量Q与运行时间t的拟合结果Tab.2 Fitting results of discharge Q and operation time t of moistube under the condition of reclaimed water quality

由表2可知，再生水工况下，微润管堵塞程度随时间变化大致分为4 个阶段，c值整体呈现先减小后增大的趋势，试验开始后的前312 h 阶段内，c值为-0.782 4，微润管流量下降幅度不大，堵塞程度增加较为缓慢；随后在第312～456 h 期间，c值迅速减小为-4.377 0，对微润管流量影响较大，堵塞程度迅速升高；到第456～696 h 期间，c值增大为-1.236 3，流量变化速度降低，堵塞程度变化趋缓；之后从第696 h 至试验结束范围内，c值继续增大为-0.882 6，流量下降及堵塞程度趋势进一步变缓。4 个阶段内R2位于0.93～0.99 间，证明拟合结果能够比较准确说明实际变化。对比结果说明，再生水灌溉更易导致微润管堵塞，微润管出流量变化总体呈现“缓慢下降-急剧下降-缓慢下降”的分段式下降趋势。

根据TAYLOR等[12]的研究，引起再生水滴灌灌水器堵塞的原因中，有超过90%是由于沉积在灌水器流道内表面的生物膜造成的；而ZHOU 等[13]认为再生水滴灌灌水器附生生物膜特征组分含量与灌水器堵塞程度间存在线性相关关系。已有研究发现[14,15]，由微生物引起的透水介质堵塞主要是由其本身及代谢产物（EPS）积累引起的，EPS 在含水介质的孔隙中聚集，导致含水层的渗透性大大降低，从而严重影响透水效率[16,17]。因此本文认为微润管堵塞可能主要由微生物及其分泌的EPS 有关，并对微润管堵塞程度与EPS 含量相关性进行分析。

2.2 堵塞程度与胞外聚合物含量相关关系分析

EPS 是微生物代谢过程中产生的黏性物质，主要由蛋白质、多糖、核酸、脂类等组分构成，其中蛋白质及多糖含量占EPS 总量的70%～80%[18,19]，因此主要考虑多糖及蛋白质的含量。微生物数量及其分泌的黏性EPS 是生物膜生长的基础，对微润管管壁生物膜生长及其内部堵塞物质累计情况有直接影响[20]。再生水工况下，微润管管壁附生生物膜中多糖含量与堵塞程度的相关关系，见图3。

图3 微润管堵塞程度与EPS中多糖质量增长的相关关系Fig.3 Correlation between the blockage degree of moistube and the quality growth of polysaccharide in EPS

根据图3，当微润管生物膜EPS 中多糖含量达到49.91±8.89 μg/cm2时，堵塞程度达到25%，此时管段流量发生明显变化；随着EPS 中多糖含量逐渐增加，堵塞程度不断增加，当EPS 中多糖含量达到150.89±16.48 μg/cm2时，堵塞程度达到90%，导致管段几乎完全堵塞。

参照再生水为水源的条件下，滴灌系统堵塞研究中较为常用的“S 形曲线”[公式（2）]，表征微润管灌水器EPS 组分含量与堵塞程度之间的相关关系[23-26]。

式中：EC代表微润管堵塞程度；BC代表EPS 物质组分含量；A、B为拟合常数。

该方程的二阶导数y′′可描述堵塞程度随堵塞物质含量增长速率的变化率，周博等[17]研究滴灌灌水器堵塞程度与附生生物膜组分关系认为y′′= 0.01 时是曲线的拐点，即增长速率变化的临界点，据此可界定为堵塞程度随堵塞物质含量变化的敏感性差异。

根据“S 形曲线”方程对堵塞程度随多糖含量增长情况进行拟合，发现堵塞程度与EPS 中多糖含量存在明显相关关系，拟合方程为拟合度较高，因此认为“S 形曲线”方程可以准确描述堵塞程度随EPS 中多糖含量增加而增长的趋势。通过二阶函数求得临界点堵塞程度为54.16%（以54%计），78.02%（以78%计），结合图3可以得出，当堵塞程度不超过54%时，堵塞程度随生物膜中多糖含量增加明显加重，属于堵塞程度变化敏感期；当堵塞程度达到54%后，堵塞程度随多糖含量变化敏感性降低；而堵塞程度超过78%后，重新进入敏感期，堵塞程度随多糖含量变化速率加快。

再生水工况下，微润管中堵塞程度与EPS 中蛋白质质量增长的相关关系，见图4。

图4 微润管堵塞程度与EPS中蛋白质质量增长的相关关系Fig.4 Correlation between blockage degree of moistube and protein quality growth in EPS

根据图4，当EPS中蛋白质含量达到16.48±0.57 μg/cm2时，堵塞程度达到25%，管段出流量发生明显变化；之后堵塞程度随着EPS中蛋白质含量增加而逐渐增大，当EPS中蛋白质含量达到26.11±1.76 μg/cm2时，堵塞程度达到90%，导致管段几乎完全堵塞。

根据“S形曲线”方程对堵塞程度随蛋白质含量增长情况进行拟合，发现堵塞程度与EPS 中蛋白质含量存在明显相关关系，拟合曲线为R2为0.908 4，因此认为“S 形曲线”方程可以准确描述堵塞程度随EPS 中蛋白质含量增长的趋势。通过二阶函数求得临界点堵塞程度为61.18%（以61%计），74.46%（以75%计），结合图4可以得出，当堵塞程度在61 %以下时，EPS 中蛋白质含量对堵塞程度影响明显；堵塞程度在61%～75%时，EPS 中蛋白质含量的增加对堵塞程度影响的敏感性减弱；而堵塞程度超过75%时，EPS中蛋白质含量稍有增加即会导致微润管堵塞程度大幅增加。

国内外研究显示介质表面附生生物膜会按照微生物生长周期“S 形曲线”的趋势生长，只是形式会存在一定的差异[27-29]。结合图3及图4发现，微润管堵塞程度与EPS 中多糖及蛋白质含量变化相关关系类似，均整体呈现出“敏感-弱敏感-敏感”的趋势：在堵塞初期，水流流动速度较快，营养源较为充分，微生物进入快速增长阶段后代谢产物增多导致多糖及蛋白质含量快速升高，多糖具有的黏性更利于其吸附水中游离的固体小颗粒，进一步加重了微润管的堵塞，但此时微润管上空隙较多，多糖及蛋白质含量的增加对微润管出流量下降影响增长较小，当堵塞程度超过25%后，多糖及蛋白质含量稍有增长即会对出流量造成较大影响；随着堵塞程度加剧，微润管中流量大幅缩小，营养物质逐渐缺乏，微生物开始进入衰减期内源呼吸阶段导致多糖及蛋白质含量降解消耗，增长速率减慢，微润管出流量下降趋势放缓；进入堵塞末期，部分细菌自溶死亡，胞内聚合物溶出导致此阶段内多糖及蛋白质含量升高速率加快，但此阶段中微生物的自溶减缓了堵塞程度的加重，导致出流量下降趋势持续减慢。综上所述，微润管堵塞程度与管壁附生生物膜多糖及蛋白质含量间的确存在“S形曲线”相关关系，其中多糖含量与堵塞程度之间的相关性更为密切（R2=0.949），且多糖含量约是蛋白质含量的5倍，因此微生物胞外聚合物中多糖的积累是引起微润管堵塞的主要原因。

2.3 微润管管壁生物膜微生物群落分析

再生水工况下，微润管不同堵塞程度时，管壁生物膜在门水平上的物种占比，见图5。样本共包括29个细菌门类，其中占比小于0.01的合并为其他门类。

图5 微润管微生物种群构成分析Fig.5 Analysis of moistube community structure in microtubule

根据图5，对50%堵塞程度时（WR50）的管段提取物检测发现，此时，管段中微生物主要包括25 个菌门，而堵塞程度达到100%（WR100）时，对管段提取物检测发现管段中包含的菌门数扩大到29 个，可以发现，随着微润管堵塞程度的加重，管段中包含的菌门数量随之增大。同时各菌门占比也出现了不同程度的改变，其中改变最明显的菌门包括变形菌门（Proteo bacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）。变形菌门的细菌广泛存在于自然界中，在好氧和厌氧环境下均可存活，同时对碳、氮、磷循环起到重要作用[28,29]，在堵塞程度较严重，水中氧含量大幅下降情况下，仍能大量繁殖，在微润管管壁生物膜群落中占比从WR50时的60.09%大幅上升至WR100时的81.66%；拟杆菌门主要利用多糖作为能源物质，堵塞后期EPS 中可利用的多糖含量下降，对其生长繁殖产生不利影响，群落占比从WR50 时的14.39%下降至WR100 时的7.22%；疣微菌门主要为好氧异养菌，缺氧状态下与其他菌体竞争中处于劣势[30]，因此占比从WR50 时的12.88%下降至WR100 时的3.92%。微生物种群构成的变化说明随着堵塞程度的加深，变形菌门微生物更加适应变化后的生存，成为管段内部微生物中的绝对优势菌门。变形菌门且具有易附着的特性，相比其他菌门能够分泌更多的EPS，而EPS 在生物膜中充当“骨架”结构[31]，使生物膜更易结合固体颗粒及水中漂浮的微生物，使得微生物从水中游离态转为附着态[32]，形成网状立体结构堵塞管道。结合堵塞程度与胞内多糖及蛋白质相关关系分析，推测随着微润管堵塞程度加剧，管段中变形菌门微生物含量逐渐增多，加速产生大量EPS，加剧微润管堵塞程度。

3 结 论

本文通过对比在再生水即自来水条件下，微润管出流量随时间变化规律，以及再生水工况下，管段堵塞物质中EPS含量随时间进程累积导致管段堵塞程度的变化，并利用高通量测序技术，分析微润管中微生物的种群构成及其物种演化过程，探究以再生水为水源时，微润管内部的堵塞现象及其原因。主要结论如下：

（1）以再生水为水源时，微润管出流量在为期1 344 h 的整个试验周期内，流量变化总体呈现“缓慢下降-急剧下降-缓慢下降”的进程，试验开始后流量变化平稳，从312 h 开始流量急剧下降，至456 h 时管段堵塞程度迅速增加至50%，之后管段流量变化逐渐趋缓，在第1 344 h微润管基本完全堵塞。因此应在微润管运行312 h 后对管段及时清理，防止堵塞导致系统流量下降。

（2）以再生水为水源时，微润管堵塞程度变化规律与管段堵塞物质中多糖及蛋白质含量增加规律存在明显的相关关系，“S 形曲线”方程可以较为准确地说明堵塞程度随EPS 中多糖及蛋白质含量增长的相关趋势，整体呈现出“敏感-弱敏感-敏感”的增长趋势，其中多糖含量与堵塞程度的相关关系更为密切。

（3）随着微润管堵塞程度的加深，管段内微生物种群构成变化较大。WR50时占比前三的菌门包括变形菌门、拟杆菌门及疣微菌门，但到WR100 时，拟杆菌门及疣微菌门占比下降，而变形菌门占比增加了21.57%上升至81.66%，成为绝对优势菌门，其大量分泌的EPS 是导致微润堵塞的重要原因之一。

（4）伴随着微生物生长周期及群落变化，微润管管壁生物膜中EPS 含量变化经历从快速增加到缓慢增加再到快速增加的过程，与EPS 导致堵塞程度增加趋势相似，证明在再生水工况下，微生物是导致微润管堵塞的关键诱因之一。