水工混凝土构筑物微生物群落特性及其对混凝土性能的影响机制

Hydraulic concrete is one of the most fundamental construction materials in water conservancy projects (WCPs). The structural stability of hydraulic concrete is an important guarantee for the safe operations of WCPs. A large number of microorganisms live on the surface and within the pores of hydraulic concrete structures (HCSs) under humid conditions. These microorganisms can lead to either corrosion or repairation of concrete by different ways, thus affecting the properties of concretes. However, the knowledge on the effects of microorganisms on the properties of HCSs in WCPs is still lacking. By using high throughput sequencing analysis, metagenome analysis and other bioinformatics methods, the spatial and temporal distribution of microbial community on and within typical HCSs in the Yangtze River Basin will be firstly revealed in field research. Then indoor simulation experiments will be performed and the microbial community structures and function expressions under environmental factors, e.g., hydraulic disturbance, will be identified. Afterwards, the influencing mechanism of functional microorganisms on the properties of HCSs will be clarified and the relationship between functional microorganism succession and changes in the performance of HCSs will be revealed. Finally, a strength prediction model of HCSs coupled microbial action will be established to provide the theoretical support for the safe operations of WCPs.

水工混凝土是水利工程主要的建筑材料，其在不同环境条件下的稳定性能是水利工程安全运行的重要保障。处在潮湿环境中的水工混凝土表面和孔隙中生长大量微生物，会通过不同的途径对混凝土产生腐蚀或修复等作用，从而影响混凝土性能。目前对水利工程中水工混凝土微生物作用的认识仍不清楚。项目拟通过野外观测和室内模拟等手段，采用高通量测序等方法，以长江流域典型水工构筑物所在水体为研究区域，以水工混凝土微生物群落为研究对象，研究水工混凝土微生物群落的时空分布规律，解析水动力条件下水工混凝土微生物群落响应机制，建立水动力条件下微生物群落与主导环境因子的数值关系；再研究水工混凝土微生物群落与混凝土性能变化的关联性，明确对混凝土具有腐蚀和修复作用的功能微生物，阐明水动力条件下水工混凝土关键功能微生物对混凝土的作用机制，建立耦合微生物作用的水工混凝土构筑物强度预测模型，为保障水工混凝土构筑物的安全运行提供理论指导。

本项目以河流水工构筑物表面微生物群落为研究对象，探寻不同类型的河流水工构筑物遭受微生物腐蚀的风险，阐述动静水条件及碱度梯度下细菌群落组成分布及演替特征，解析基于KEGG代谢通路的细菌群落功能基因组成及氮、硫代谢特征，识别水工混凝土腐蚀和修复的功能微生物，阐明自然水体中水工混凝土微生物群落的环境响应机制。.研究结论主要包括：.（1）解析了代表性水域城市河流水工混凝土构筑物上微生物群落的时空分布规律，辨识出了微生物群落变化的主导驱动因子。研究发现，溢洪道闸墩、翼墙及护坡等不同类型的水工构筑物上微生物群落具有差异。溶解氧、氨氮和温度是造成微生物群落结构分布差异的主要因素。硫还原菌为水工构筑物上腐蚀菌群的优势菌。而不同类型的河流水工构筑物存在不同微生物腐蚀的风险，其中闸墩受微生物腐蚀的风险最大。.（2）通过室内实验阐明了动静水条件下水工混凝土的微生物腐蚀机制。动水条件下水工混凝土表面生物膜形成速度更快，细菌群落结构也会在更短的时间内趋于稳定。混凝土试件的质量损失在2.27%~5.13%间，其中微生物作用约占0.6%，表明微生物作用对混凝土损伤具有潜在威胁。动水组与静水组中微生物群落演替趋势相同，但最终的群落结构具有差异。表面pH是影响微生物群落结构组成的最显著因子。氮、硫代谢功能菌群是优势功能菌群，但水动力条件未对其分布产生显著影响。.（3）解析了水工混凝土构筑物表面细菌群落结构和功能对混凝土碱度梯度的响应机制。在pH 7.88–12.08的碱度梯度下整体细菌菌群的多样性指数显著降低。细菌群落在时间维度上呈现了明显的聚类分离，而碱度因素则在一定程度上增加了群落结构的相异性。根据碱度梯度下优势功能基因受影响程度将碱度梯度划分为低（pH 7.88–10.31）、中（pH 10.88–11.16）、高（pH 11.39–12.08）三个组。而随碱度梯度的下降，功能基因的活性将逐渐增强，进而增加微生物作用对混凝土材料的潜在威胁。.本项目结合野外观测和室内实验，补充和完善水工构筑物混凝土微生物作用理论研究，提高了对运行环境中水工建筑物的安全性和耐久性的理解，并协助制定相应的策略，以确保水利工程的安全运行和维护。对实现水工混凝土构筑物受微生物影响的防控、保障水利工程设施安全具有重要意义。