污水處理廠的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性與實(shí)際微生物的組成密切相關(guān)。每個(gè)污水廠的微生物群落組成都有差別，并且會隨著時(shí)間的推移而變化，會對污水廠的整體運(yùn)行和功能產(chǎn)生決定性影響。污水廠微生物組成的變化是對其未來功能變化的早期指示，運(yùn)行人員可以此為參考，對運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整。

在今年5月組織的IWA網(wǎng)絡(luò)版世界水大會上，來自丹麥Veolia Kruger公司創(chuàng)新污水部的主管Mikkel algren Stokholm-Bjerregaard先生介紹了如何將DNA測序技術(shù)用到污水廠的日常運(yùn)行中。

污水廠關(guān)鍵工藝的運(yùn)行都和微生物功能息息相關(guān)——有機(jī)物的去除、水解、發(fā)酵、硝化/反硝化，或者是污泥泡沫和膨脹等。對污水廠運(yùn)行人員來說，他們希望能牢牢控制污水廠的這些運(yùn)行表現(xiàn)。但要實(shí)現(xiàn)對污水廠的控制，必須要了解污水廠中微生物的情況。

在此背景下，丹麥Aalborg大學(xué)、Veolia Kruger公司、奧地利維也納大學(xué)連同丹麥的四家地方水務(wù)公司，通過丹麥創(chuàng)新基金，創(chuàng)立了一個(gè)Online DNA項(xiàng)目，來研究如何通過DNA測序技術(shù)，更好地獲得污水廠中微生物的全局信息。每個(gè)機(jī)構(gòu)都為這個(gè)項(xiàng)目投入資金約折合1000萬人民幣。

圖. 項(xiàng)目參與單位

目前市面上有不少細(xì)分的DNA測序技術(shù)，新的測序技術(shù)變得越來越快捷，設(shè)備也越來越輕便，如下圖（右）所示的在線原位DNA測序設(shè)備，可在5h內(nèi)獲取結(jié)果。

早在2017年，他們在Odensee污水廠便獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見下表。根據(jù)測序結(jié)果可以識別出不同的微生物，而且能計(jì)算出微生物的相對豐度。

但他們想要的不僅僅是簡單的識別，他們想利用DNA數(shù)據(jù)對關(guān)鍵菌種和整個(gè)微生物群落進(jìn)行監(jiān)控。他們建立了兩套預(yù)警機(jī)制，一個(gè)是靜態(tài)限值，一個(gè)是動態(tài)限值。前者是指如果某種微生物的豐度超過了某個(gè)設(shè)定值，系統(tǒng)就會報(bào)警，而后者是用來觀察某種微生物的變化幅度是否過大。

對關(guān)鍵菌株的改良控制

以丹麥的Aalborg Vest污水廠為例，他們對一種會引起污水廠污泥膨脹的Candidatus Amarolinea細(xì)菌微生物進(jìn)行了長期的DNA監(jiān)測跟蹤。從下圖可以看出，在2011年和2012年初，該細(xì)菌的相對豐富開始增加，到2013年達(dá)到頂峰，然后開始下降，直到2015年5月才逐漸消去。

他們在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的解析，數(shù)據(jù)顯示，該細(xì)菌的平均相對豐度為0.6%，并將最大限值設(shè)為1.9%。2012-2013年間的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量報(bào)警信號。如果將該預(yù)警機(jī)制應(yīng)用到實(shí)際運(yùn)行的污水廠中，將能幫助污水廠運(yùn)行人員更快地做出反應(yīng)，防止該細(xì)菌的爆發(fā)。

對整體群落的控制

雖然數(shù)據(jù)分析可以識別出幾千種細(xì)菌，但對于運(yùn)行人員來說，如果對每個(gè)細(xì)菌都進(jìn)行預(yù)警設(shè)定，將過于復(fù)雜。

因此他們尋找一個(gè)可以反映群落穩(wěn)定性的指示參數(shù)。他們對Ejby Molle和Ondense NE污水廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。對比結(jié)果如下圖所示，兩個(gè)污水廠的微生物群落組成有著顯著性的差別，加上時(shí)間維度之后，能看出同一個(gè)污水廠的微生物群落的變化軌跡�？梢钥吹�Odense NE污水廠的微生物群落似乎在兩年時(shí)間里完成了一個(gè)循環(huán)，而Ejby Molle的變化則相對更穩(wěn)定。

如果換成季節(jié)的變化，或者溫度的數(shù)據(jù)，可得到以下對照結(jié)果。同樣能夠發(fā)現(xiàn)出一個(gè)循環(huán)趨勢。

對于微生物整體群落，他們也建立了一個(gè)常規(guī)預(yù)警機(jī)制，如果群落變化幅度超過了設(shè)定的限值，系統(tǒng)也可以發(fā)出報(bào)警響應(yīng)。

圖

DNA Fantastic

項(xiàng)目組還將上邊的功能集成到名為DNA Fantastic的在線平臺里。在這個(gè)系統(tǒng)里，用戶可以查看各種微生物的變化趨勢，如上邊提到的Candidatus Amarolinea菌。

微生物數(shù)據(jù)庫

自 2006 年以來，通過DNA測序分析，丹麥已經(jīng)對50個(gè)污水處理廠的微生物群落組成進(jìn)行了長期跟蹤，如今已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫�，F(xiàn)在每個(gè)污水處理廠都對自己廠內(nèi)的微生物情況有了更深地了解，并且可利用這些信息為關(guān)鍵物種設(shè)定更理想的運(yùn)行條件，提高脫氮除磷的效率，或者改善污泥的沉降性能。

圖. 丹麥污水廠獲取微生物群落信息的流程圖 | 圖源：state of green

2017年初成立了便攜式手持DNA測序項(xiàng)目，在項(xiàng)目成立之初，Aalborg大學(xué)的Peter Halkjær Nielsen教授表示：“早在幾年前，這種監(jiān)測微生物群落的方法就如做夢一樣，而如今我們已經(jīng)可以用于實(shí)踐了。這個(gè)項(xiàng)目將把新的運(yùn)行方法帶給消費(fèi)者、丹麥的水務(wù)公司，并最終介紹給國外的公司和公用事業(yè)部門。我們希望將它變成控制和操作污水廠的新方式。這將是水處理廠運(yùn)營的一場革命。”

隨著手持式DNA測序儀的進(jìn)一步普及，相信在不久的將來，我們就能在丹麥看到許多污水處理廠進(jìn)行每天或每周的DNA測序分析。這很有可能是提升污水廠運(yùn)行效率的重大改變。

對污水廠微生物群落研究感興趣的讀者，我們準(zhǔn)備了Mikkel algren Stokholm-Bjerregaard先生報(bào)告內(nèi)容的完整視頻，大家可以點(diǎn)擊以下視頻進(jìn)行回看：

參考資料

https://watertechkrugerdk.veolia.acsitefactory.com/dna-fantastic

https://stateofgreen.com/en/partners/innovation-fund-denmark-innovationsfonden/news/online-dna-analysis-to-control-bacteria-in-wastewater-treatment-plants/

https://stateofgreen.com/en/partners/aalborg-university/solutions/online-dna-analyses-understanding-microbial-communities-in-wwtps-for-process-optimization/

https://ctwatch.dk/nyheder/affald/article13090821.ece

https://www.x-mol.com/paper/1270503754076549120?recommend