《Journal of Water Process Engineering》：The defining role of storage materials in rainwater harvesting water quality dynamics: Microbial ecology and self-purification mechanisms
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本研究对比聚乙烯（PE）、玻璃和混凝土储水材料对雨水水质的影响，通过40天实验发现材料通过调控溶解氧（DO）、pH及微生物群落结构驱动水质演变。混凝土系统因高pH和缺氧环境导致有机物降解缓慢，自净能力最低（11.442）；而PE和玻璃系统pH中性，DO恢复快，支持异养代谢但硝酸盐积累显著（最高7.5 mg/L）。网络分析与统计显示，材料特异性微生物互作及代谢通路差异导致水质轨迹分化。研究首次建立储水材料特性-微生物生态策略（r/K选择）-自净性能的机制框架，提出PE适合高有机负荷雨水，混凝土适合低氮或高氮场景，为雨水收集系统优化提供科学依据。
高赞|何子怡|张琼华|王欧阳|李新怡|Dzakpasu Mawuli|王小畅
教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安建筑科技大学，中国西安，710055
摘要
收集的雨水是水资源匮乏地区的一种战略替代资源，但其质量演变受到储存材料的强烈影响，储存材料作为主要的物理化学和生物界面。本研究通过40天的控制实验，系统地研究了聚乙烯（PE）、玻璃和混凝土储存系统在控制雨水质量演变和自我净化机制中的作用。通过结合物理化学监测和高通量微生物测序，我们证明了储存材料对水质动态和微生物生态策略具有决定性影响。混凝土储存系统形成了独特的碱性和缺氧环境，其特征是持续的低溶解氧（DO）消耗、最慢的再氧化速率（0.11 mg/(L·d)）和逐渐降低的浊度。这种环境最初促进了以K-选择为主的微生物群落，有机物降解受到限制，自我净化能力最低（S_concrete = 11.442）；随后转变为以r-选择为主的微生物群落，主要由自养反硝化作用驱动（约50%的NO?-N减少），这主要是由Hydrogenophaga属细菌的富集（相对丰度95.1%）所导致的。相比之下，PE和玻璃系统保持了较高的再氧化能力（约0.23 mg/(L·d)）、接近中性的pH值和更快的浊度降低速度，支持了由Sphingorhabdus和Reyranella等优势菌属主导的活跃异养碳代谢，尽管NO?-N积累明显（高达7.5 mg/L）。非参数网络和统计分析进一步表明，这些不同的水质轨迹源于材料特定的微生物相互作用和代谢途径。总体而言，这项工作提供了第一个将储存材料特性、微生物生态选择（r/K策略）和雨水收集系统自我净化性能联系起来的综合机制框架。结果表明，PE适用于有机负荷较高的雨水，而混凝土更适合低碳氮比或富含氮的雨水，为材料指导的雨水储存基础设施设计和优化提供了科学依据。
引言
由于气候变化、生态退化和快速的社会经济发展，水资源面临着前所未有的挑战。地理、气候和基础设施的限制进一步加剧了水资源短缺，特别是在人口密度高且集中供水系统有限的欠发达地区[1]，[2]。在这种背景下，雨水收集（RWH）已被广泛认为是可行的替代水资源，促使人们对其收集、储存和利用进行了大量研究。然而，水质仍然是简单RWH系统广泛应用的关键限制因素，尤其是那些缺乏后处理设施的系统[3]。
收集的雨水是否适合各种用途从根本上取决于其质量，因此需要系统地进行评估以实现有效管理。储存雨水的质量演变主要受收集环境和RWH系统中使用的材料的影响[4]，[5]。与其他不透水的城市表面相比，基于屋顶的雨水收集相对干净；然而，收集的雨水通常含有来自大气沉降、降雨特性和屋顶材料的重金属、营养物质和悬浮固体的相当浓度[6]。交通走廊和工业区的排放物显著加剧了局部大气污染和酸沉降[7]。例如，在美国德克萨斯州的工业园区附近采集的雨水样品中，铜和锌的浓度分别为0.013 mg/L和0.12 mg/L，超过了美国环保署（USEPA）的淡水质量标准[8]。此外，通过湿沉降、表面侵蚀和径流收集过程中的沉积物重新悬浮引入的污染物进一步降低了雨水质量。先前的研究表明，RWH系统中的污染水平与降雨强度、持续时间和之前的干旱天数（ADDs）密切相关[6]，[9]。屋顶表面的物理和化学风化过程也向收集的径流中贡献了有机物、营养物质和悬浮固体[10]。最近的一项综合评论进一步证实，屋顶材料——特别是镀锌铁和锌铝集水器——与收集的雨水中金属浓度升高有关，在28%的采样系统中检测到的铅含量超过了饮用水指南[11]。除了物理化学参数外，微生物质量也是决定雨水可用性的关键因素，特别是在考虑饮用或非饮用用途时。
因此，为了确保收集的雨水得到安全和高效利用，阐明储存过程中水质演变和自我净化的机制至关重要。先前的研究表明，长时间储存屋顶收集的雨水通常会导致化学需氧量（COD）、悬浮固体（SS）和氨氮（NH?-N）浓度下降，同时硝酸盐氮（NO?-N）显著积累[12]，[13]。比较不同储存条件的研究进一步表明，水质的时间趋势受到储存材料的影响，在COD和温度等参数上观察到了显著差异[14]。微生物污染仍然是雨水再利用的主要限制因素，因为长期储存通常与细菌繁殖和多种储存系统中的微生物质量恶化有关[15]，[16]。这一风险通过总细菌计数的增加[17]以及储存雨水中病原体指标（包括大肠杆菌）的出现得到证实[18]。综合全球证据表明，大多数RWH储水池样本中都存在微生物指标，其中49%的样本中检测到大肠杆菌，70%的样本中检测到总大肠菌群，这突显了微生物污染的普遍性和其在储存过程中的持久性[11]。此外，收集的雨水中的微生物群落表现出明显的空间和时间变异性，使得污染动态和风险评估变得复杂[19]，[20]。
在影响储存雨水质量的多种因素中，储存材料起着决定性作用，因为它构成了与雨水持续接触的主要界面[21]。现有研究表明，混凝土储水池可能会释放碱性矿物质并提高pH值，而某些塑料或金属容器可能会将有机化合物或金属离子渗入储存水中[22]。从微生物学的角度来看，材料特性如表面粗糙度、疏水性和抗菌特性强烈调节生物膜的形成和微生物演替，使储存材料成为细菌再生的关键栖息地[23]，[24]。材料是影响RWH系统中微生物和化学水质的关键因素之一，但大多数现有研究主要集中在集水材料或处理技术上，对储存材料在受控条件下的影响缺乏系统的研究。尽管有这些认识，大多数先前的研究都集中在短期观察或单一材料类型上。对于不同储存材料如何驱动营养物质、有机物和微生物群落的耦合转化——从而调节长期储存过程中的自我净化过程——的系统性和机制性理解仍然明显不足。这一知识空白限制了储存材料的合理选择和有针对性的管理策略的发展，特别是在欠发达地区的分布式RWH系统中。
为了克服这些限制，本研究专注于未经处理的屋顶收集的雨水，并选择了具有不同粗糙度、透明度和抗菌特性的典型储存材料（混凝土、玻璃、PE），系统地研究储存材料在控制长期水质演变和污染物转化机制中的作用。这项工作的新颖之处在于：（1）通过长期监测阐明储存材料特性与物理化学和微生物水质参数之间的动态响应关系；（2）整合氮转化、有机物降解和微生物群落演替，揭示储存雨水系统的自我净化潜力和生态限制。具体来说，本研究旨在：（i）表征不同储存材料下COD和氮物种的迁移和转化模式；（ii）阐明储存材料对微生物多样性和群落结构的影响；（iii）全面评估特定材料RWH系统对水质的长期影响。研究结果为优化储存材料选择和提高简单RWH系统的可持续性和安全性提供了机制基础。
应当注意的是，这项研究是在受控实验条件下进行的，以隔离储存材料的影响。在现实世界的应用中，雨水质量还受到区域气候、屋顶材料、降雨频率和维护实践的影响。这些因素定义了本研究的范围，并为未来的研究指明了重要方向。
采样地点和实验设计
选择中国西安的一个屋顶作为代表性采样地点（图1）。该地点位于中国西北部这个主要城市的文化和教育区，该地区长期面临水资源短缺的问题（见补充信息：采样地点描述）。
研究了三种常用的雨水储存材料——聚乙烯（PE）、玻璃和混凝土。对于每种材料，使用10升容器准备了三个独立的储存单元
物理化学参数
如图2(a–d)所示，不同储存材料之间的物理化学参数（包括溶解氧（DO）、pH值、浊度和氧化还原电位（ORP）的时间演变存在显著差异。
PE和玻璃储存材料中的DO浓度表现出相似的趋势，初始值为8.45 ± 0.05 mg/L。在这两种系统中，DO迅速下降，并在第10天左右达到最低值（PE：3.91 ± 0.11 mg/L；玻璃：4.05 ± 0.08 mg/L）。相比之下，混凝土系统中的DO水平
针对目标水质的战略性材料选择
雨水储存系统中发生的主要生化过程——以及由此产生的水质——受到储存材料选择的强烈影响。这为根据源水特性和预期用途战略性地选择材料提供了实际依据。
结论
本研究表明，雨水储存材料通过调节材料-水-微生物界面过程，控制了储存水质的两种不同演变路径。聚乙烯（PE）和玻璃储存系统具有强大的再氧化能力和接近中性的pH值，维持了有利于异养碳代谢的有氧微生物条件。这些环境主要由Sphingorhabdus和Reyranella等菌属主导，从而实现了有效的有机物
CRediT作者贡献声明
高赞：撰写——原始草案，数据管理，概念化。
何子怡：研究。
张琼华：撰写——原始草案，方法论，概念化。
王欧阳：研究。
李新怡：研究。
Dzakpasu Mawuli：撰写——审阅与编辑。
王小畅：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52500119、52270094）、中国博士后科学基金（证书编号：2025MD774123）以及陕西高校新思维智库：中国西北生态脆弱地区水污染控制与水环境建设研究所（项目编号：24JT011）的支持。
