使用活性污泥和滴滤滤池的市政废水处理厂的枪法宏基因组学和理化特征分析

下水流向为何重要

每次我们冲厕所或冲洗工厂车间的化学品，废水都必须流向某处。在许多社区，尤其是低收入和中等收入国家，废水处理厂难以跟上，使有害的营养物质、化学物质甚至重金属泄入人类和野生动物赖以生存的河流中。本研究详细考察了南非的两座此类污水处理厂，不仅评估它们净化水体的效果，还调查了哪些微观生命在完成分解污染物的艰苦工作。

一条繁忙河流上的两座吃紧厂

研究人员关注了南非恩弗莱尼（Emfuleni）地方自治市的两座市政污水处理厂。两者都接收家庭污水、雨水和工业废水，并将处理后的水排入当地重要河流。按设计，这些设施应结合使用活性污泥（微生物在曝气池中悬浮）和滴滤滤池（微生物在表面生长并形成黏性生物膜）。但实际上，多年维护不善、能源短缺和设备故障导致每座厂均低于设计负荷运行，一座主要依赖活性污泥，另一座主要依赖滴滤滤池。

检测水质与隐含化学

在枯水季的五个月中——废水受雨水稀释较少时——研究团队从处理过程的不同点采样，并采集了附近五家工业的废水样品，例如屠宰场和电池制造厂。他们测量了基本水质指标：酸度（pH）、溶解氧、温度、溶解和悬浮固体，以及反映需被分解有机物多少的关键污染指标化学需氧量（COD）。他们还监测了氨、硝酸盐和磷酸盐等营养物，并筛查了铁、铜、锌、铅和砷等金属。这些物质在高浓度时可能危害鱼类、助长有毒藻华或在作物与动物组织中累积。

仍然渗出的污染物水平

结果显示，两座污水厂均难以将污染物去除到可接受水平。处理出水中的COD常常超过当地和国际指南，尤其是在基础设施大面积失效的那座厂。氨——一种对水生生物有毒性的氮形态——在两厂的末端池仍然维持高浓度，这表明关键的去氨微生物未能有效发挥作用。一些工业排放非常极端：屠宰场的废水COD异常高，加重了市政系统的负担。几种重金属，尤其是锰、铜、锌和铅，在污泥和部分处理后水流中积累，令人担忧它们在河床沉积物、鱼类乃至依赖这些水源的人群中长期累积的风险。

池内的微生物劳动力

为了理解处理过程中的“活力引擎”，科学家们使用了枪法宏基因组测序——一种直接从水样读取DNA的技术——来描绘每个采样点的微生物组。细菌占主导地位，在某些样品中，变形菌门（Proteobacteria）几乎占据了近90%的群落比例。Aeromonas、Acinetobacter、Pseudomonas、Bacillus和Thauera等属特别丰富。许多这些微生物是双刃剑：它们是强有力的有机污染物、营养盐甚至复杂化学物质的降解者，但其中也可能包含致病菌株或携带抗生素抗性基因。研究显示，pH、溶氧、固体和盐度的变化——甚至金属的存在——都强烈影响了不同微生物在何处繁盛。

隐含潜力与明确警示

将化学特征与微生物学联系起来后，研究发现某些细菌在重金属浓度高的区域聚集，暗示它们可能用于未来的修复策略。其他微生物则在功能性DNA标记中显示出能够分解顽固化合物（如石油类、药物和工业溶剂）的潜力。然而总体而言，厂区无法完全去除COD、氨和金属，意味着这些河流仍持续收到有害物质的输入。作者主张应实施持续监测、升级基础设施，并采用更聪明的设计，将活性污泥与滴滤滤池结合，以释放这些微生物群落的全部潜力并保护下游生态系统。

对人类与河流的意义

简言之，这项研究表明所研究的处理厂未能充分净化废水，尽管合适类型的微生物存在。大量有机废物、营养盐和金属仍从厂区流出，进入用于娱乐、灌溉并间接用于饮用水的河流。随着时间推移，这会损害鱼类和其他野生生物，诱发恶臭且有时有毒的藻华，并增加附近社区的健康风险。该研究既提出了警示，也提供了机会：如果没有更好的维护、稳定的能源供应和更严格的过程控制，这些隐蔽的微生物工作者无法跟上；但通过合理设计的系统和例行检测，它们可以成为更安全、更有弹性的水循环体系的核心。

引用: Maharaj, S.D., Nkuna, R. & Matambo, T.S. Shotgun metagenomic and physicochemical profiling of municipal wastewater treatment plants using activated sludge and trickling filters. Sci Rep 16, 5486 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35157-6

关键词: 废水处理, 微生物组, 南非, 重金属, 水质