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近年来，随着城市化率的增长，城市排水系统中纳管污水量逐年递增，污水中大量有机物在管道运输过程中发生降解造成了碳源的严重损耗，从而形成了大量的CH4和CO2排放，并对下游污水处理厂的正常运行产生了显著的负面影响。已有研究表明，污水在管道输送过程中的碳排放是污水处理系统碳排放总量的重要组成部分，但目前对这一问题的相关研究仍十分匮乏。
重力排水管道的碳排放主要来源于沉积物，而沉积物本身的物化性质及其所含微生物又受到管道内水力工况的影响。对城市重力管道，持续水流、断流、间歇水流、泵站放江等状态是普遍存在的水力况，会通过影响碳源输入动态及微生物生境状态而对相应的碳排放过程产生显著重要的影响。同时，不同类型管道内沉积物基质来源的不同及其形成过程的不同，导致这些沉积物呈现出截然不同的物化特征，从而造成其碳排放产排势能存在特征性差异。因此，从不同水力工况和不同管道来源沉积物的角度出发探究管道碳排放的过程及通量，是非常必要的，这对完善解释重力管道碳排放行为的机理基础，并为进一步构建形成通量计算预测模型及后续管理措施而言，具有重要意义。然而，迄今为止，并未有相关研究涉及于此。
针对不同水力工况和不同管道来源沉积物对排水管道的碳排放影响问题，本研究基于实验室模拟培养，利用气相色谱、三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱、16SrRNA、宏基因组等技术方法对碳排放通量、有机物降解、微生物多样性及代谢通路进行表征，解析了雨水管道、污水管道、以及雨污混接管道沉积物在模拟持续水流、断流、间歇水流及强水力放江四种水力工况下的CH4与CO2产排动态及通量差异；在此基础上，进一步从沉积物DOM成分降解和微生物多样性及代谢通路差异的角度深度分析了CH4与CO2产排特征下的物质代谢原因。本研究成果从水力工况和沉积物管道来源的角度完善了排水管道中CH4和CO2产排的理论体系，并为管道碳排放削减措施的制定提供了理论支撑。
主要研究结论如下：
(1)持续水流条件下污水管道沉积物、雨水管道沉积物和混接管道沉积物中的碳排放通量均随外源碳的周期性补充而呈现规律性变化，且整体皆呈现下降趋势。其中，CH4产排受到外源碳周期性补充的影响较大，CO2产排受到外源碳周期性补充的影响较小。
断流条件下管道沉积物的CH4累积排放通量显著小于持续水流工况，产CH4速率经历了初期短暂的提升之后迅速下降，并逐渐趋于零。CO2累积排放通量略小于持续水流工况，排放通量都在前期呈上升趋势，之后开始下降，并在反应末期趋于平稳。
间歇水流条件下碳排放通量总体呈现下降趋势但在每次重新供应上覆水流时出现一定回升，相比于CH4，CO2的产排对于这个水力工况转变的响应更加的清晰显著。
泵站放江造成了沉积物中大量气体的逸散，产CH4通量在放江开始后出现了一定的提升之后迅速下降，并在5天后逐渐趋于零，仅有污水管道沉积物维持着少量的产CH4通量。三种沉积物的产CO2通量在模拟泵站放江开始后总体呈现缓慢下降的趋势。
(2)厌氧培养前期，上覆生活污水中显著存在色氨酸(ex 275 nm/em340nm)类DOM的降解，这是有上覆污水存在的管道条件下碳排放的主要贡献来源。同时，生活污水DOM向沉积物层的渗透，以及沉积物中微生物死亡导致的胞内蛋白流出造成了沉积物内源DOM成分的非单调性变化。
(3)管道中稳定水力条件下的厌氧发酵过程中，羧酸与蛋白质协同变化，且变化程度几乎相同，多糖的变化程度相对较小，而在强水力扰动的条件下，羧酸的变化程度明显大于蛋白质。模拟放江工况中的有机物官能团降解顺序也不同于其他三种工况，即蛋白质和羧酸先于糖类和脂质发生了降解，这带来了更高的降解效率和更多的碳排放量。
(4)污水管道初始沉积物中甲烷丝状菌(Methanosaeta)相对丰度(12.68%)远高于其他两种沉积物(4.29%、2.05%)，从而造成了污水管道沉积物对于外源碳的敏感性。而其他两种沉积物中发酵产酸细菌占比较高导致了对于碳源短缺的冲击具有一定的缓冲作用。不同管道来源沉积物中的微生物群落组成差异性随着培养时间的增加而趋于同质，但仍有一些特定物种在整个培养过程中保持着其显著差异性，并可能影响着沉积物的碳排放。污水管道沉积物中的特征物种为热袍菌(Thermotogae,2.11%)和互营单胞菌(Syntrophomonas,3.62%)，雨水管道沉积物存在特征物种酸杆菌(Acidobacteria, 1.18%)。
(5)初始沉积物及持续水流组中甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷丝状菌(Methanosaeta)是碳代谢和甲烷代谢的主要功能菌，且在其他丰度前8的功能中均有较高的贡献度。断流条件下Smithella和硫杆菌(Thiobacillus)成为甲烷代谢的主要功能菌，且乙酸型产甲烷菌功能贡献度超过氢型产甲烷菌，这可能是受到Smithella的影响。
(6)在所有三类沉积物中，乙酸和CO2产CH4途径中的乙酰辅酶A合成酶、甲酰基呋喃脱氢酶等关键酶相对丰度都随降解进程而有所下降，这是造成碳排放量减少的重要原因。乙酰辅酶A脱羧形成5-甲基-H4MPT的反应是乙酸产CH4过程中的限速步骤，这种限制作用尤其体现在持续水流组的混接管道沉积物中，进而导致了其CH4排放通量在培养过程中迅速下降。CO2/甲酸产CH4途径中甲酸脱氢酶和甲酰基呋喃脱氢酶的相对变化使得断流条件下培养后甲酸产CH4的利用率降低，并造成了更多的CO2排放。
重力排水管道的碳排放主要来源于沉积物，而沉积物本身的物化性质及其所含微生物又受到管道内水力工况的影响。对城市重力管道，持续水流、断流、间歇水流、泵站放江等状态是普遍存在的水力况，会通过影响碳源输入动态及微生物生境状态而对相应的碳排放过程产生显著重要的影响。同时，不同类型管道内沉积物基质来源的不同及其形成过程的不同，导致这些沉积物呈现出截然不同的物化特征，从而造成其碳排放产排势能存在特征性差异。因此，从不同水力工况和不同管道来源沉积物的角度出发探究管道碳排放的过程及通量，是非常必要的，这对完善解释重力管道碳排放行为的机理基础，并为进一步构建形成通量计算预测模型及后续管理措施而言，具有重要意义。然而，迄今为止，并未有相关研究涉及于此。
针对不同水力工况和不同管道来源沉积物对排水管道的碳排放影响问题，本研究基于实验室模拟培养，利用气相色谱、三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱、16SrRNA、宏基因组等技术方法对碳排放通量、有机物降解、微生物多样性及代谢通路进行表征，解析了雨水管道、污水管道、以及雨污混接管道沉积物在模拟持续水流、断流、间歇水流及强水力放江四种水力工况下的CH4与CO2产排动态及通量差异；在此基础上，进一步从沉积物DOM成分降解和微生物多样性及代谢通路差异的角度深度分析了CH4与CO2产排特征下的物质代谢原因。本研究成果从水力工况和沉积物管道来源的角度完善了排水管道中CH4和CO2产排的理论体系，并为管道碳排放削减措施的制定提供了理论支撑。
主要研究结论如下：
(1)持续水流条件下污水管道沉积物、雨水管道沉积物和混接管道沉积物中的碳排放通量均随外源碳的周期性补充而呈现规律性变化，且整体皆呈现下降趋势。其中，CH4产排受到外源碳周期性补充的影响较大，CO2产排受到外源碳周期性补充的影响较小。
断流条件下管道沉积物的CH4累积排放通量显著小于持续水流工况，产CH4速率经历了初期短暂的提升之后迅速下降，并逐渐趋于零。CO2累积排放通量略小于持续水流工况，排放通量都在前期呈上升趋势，之后开始下降，并在反应末期趋于平稳。
间歇水流条件下碳排放通量总体呈现下降趋势但在每次重新供应上覆水流时出现一定回升，相比于CH4，CO2的产排对于这个水力工况转变的响应更加的清晰显著。
泵站放江造成了沉积物中大量气体的逸散，产CH4通量在放江开始后出现了一定的提升之后迅速下降，并在5天后逐渐趋于零，仅有污水管道沉积物维持着少量的产CH4通量。三种沉积物的产CO2通量在模拟泵站放江开始后总体呈现缓慢下降的趋势。
(2)厌氧培养前期，上覆生活污水中显著存在色氨酸(ex 275 nm/em340nm)类DOM的降解，这是有上覆污水存在的管道条件下碳排放的主要贡献来源。同时，生活污水DOM向沉积物层的渗透，以及沉积物中微生物死亡导致的胞内蛋白流出造成了沉积物内源DOM成分的非单调性变化。
(3)管道中稳定水力条件下的厌氧发酵过程中，羧酸与蛋白质协同变化，且变化程度几乎相同，多糖的变化程度相对较小，而在强水力扰动的条件下，羧酸的变化程度明显大于蛋白质。模拟放江工况中的有机物官能团降解顺序也不同于其他三种工况，即蛋白质和羧酸先于糖类和脂质发生了降解，这带来了更高的降解效率和更多的碳排放量。
(4)污水管道初始沉积物中甲烷丝状菌(Methanosaeta)相对丰度(12.68%)远高于其他两种沉积物(4.29%、2.05%)，从而造成了污水管道沉积物对于外源碳的敏感性。而其他两种沉积物中发酵产酸细菌占比较高导致了对于碳源短缺的冲击具有一定的缓冲作用。不同管道来源沉积物中的微生物群落组成差异性随着培养时间的增加而趋于同质，但仍有一些特定物种在整个培养过程中保持着其显著差异性，并可能影响着沉积物的碳排放。污水管道沉积物中的特征物种为热袍菌(Thermotogae,2.11%)和互营单胞菌(Syntrophomonas,3.62%)，雨水管道沉积物存在特征物种酸杆菌(Acidobacteria, 1.18%)。
(5)初始沉积物及持续水流组中甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷丝状菌(Methanosaeta)是碳代谢和甲烷代谢的主要功能菌，且在其他丰度前8的功能中均有较高的贡献度。断流条件下Smithella和硫杆菌(Thiobacillus)成为甲烷代谢的主要功能菌，且乙酸型产甲烷菌功能贡献度超过氢型产甲烷菌，这可能是受到Smithella的影响。
(6)在所有三类沉积物中，乙酸和CO2产CH4途径中的乙酰辅酶A合成酶、甲酰基呋喃脱氢酶等关键酶相对丰度都随降解进程而有所下降，这是造成碳排放量减少的重要原因。乙酰辅酶A脱羧形成5-甲基-H4MPT的反应是乙酸产CH4过程中的限速步骤，这种限制作用尤其体现在持续水流组的混接管道沉积物中，进而导致了其CH4排放通量在培养过程中迅速下降。CO2/甲酸产CH4途径中甲酸脱氢酶和甲酰基呋喃脱氢酶的相对变化使得断流条件下培养后甲酸产CH4的利用率降低，并造成了更多的CO2排放。