高嶺土對(duì)飲用水中微生物保護(hù)效果的研究

谷正，余超，章鑫鑫，魯新珠

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

飲用水中顆粒物會(huì)給城鎮(zhèn)飲用水系統(tǒng)帶來(lái)一系列嚴(yán)重的問(wèn)題。一方面，顆粒物中含鐵的氧化物會(huì)消耗管道中水的余氯含量，使消毒劑過(guò)量衰減，使用戶(hù)端余氯過(guò)低；另一方面，顆粒物給生物膜附著提供了載體，一定程度上為微生物提供了保護(hù)，限制了消毒效果。有研究表明，消滅生物膜上的微生物所需氯的含量是懸浮微生物的10倍[1]。目前，有關(guān)顆粒物對(duì)飲用水中微生物生長(zhǎng)的研究多集中于顆粒物對(duì)微生物保護(hù)效果的現(xiàn)象以及顆粒物本身的物理化學(xué)性質(zhì)，但對(duì)于在消毒劑脅迫下顆粒物如何調(diào)控微生物生理行為進(jìn)而影響其保護(hù)效果和分布特征的認(rèn)知還不清晰。本研究以飲用水中微生物為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，考察了氯脅迫下高嶺土對(duì)微生物的保護(hù)效果和胞外聚合物分泌的影響，旨在為高嶺土在微生物保護(hù)方面的運(yùn)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高嶺土，國(guó)藥集團(tuán)；次氯酸鈉溶液、濃硫酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)；Syto-9，分析純，亞泰化工；碘化丙啶，分析純，亞泰化工；聚碳酸酯濾膜，分析純，英國(guó)Waterman；蒽酮，優(yōu)級(jí)純，上海阿拉??；Lorry低蛋白試劑，上海荔達(dá)。

SW-CJ-1FD超凈工作臺(tái)，上海一恒；CP214電子天平，上海奧豪斯；TH4-200熒光顯微鏡，日本奧林巴斯；UV-2600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海尤尼柯。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

以高嶺土為例，確定微生物在不同濃度消毒劑脅迫下的存活情況，并進(jìn)行胞外聚合物分泌量的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)選擇在無(wú)菌環(huán)境下的靜止系統(tǒng)中進(jìn)行，使用燒杯作為反應(yīng)器。用75%的酒精將水龍頭消毒，打開(kāi)水龍頭，讓水流淌5 min，量取自來(lái)水5 L，將水樣在室溫下靜置24 h以去除自來(lái)水中的余氯。取1 L準(zhǔn)備好的自來(lái)水，并加入高嶺土，濃度分別為0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L，攪拌使高嶺土在自來(lái)水中分布均勻。此外，設(shè)定一系列消毒劑的濃度梯度，消毒劑使用NaClO母液，在各反應(yīng)器中添加一定量的NaClO母液，使各反應(yīng)器環(huán)境中余氯濃度分別為0 mg/L（對(duì)照）、0.5 mg/L、1.0 mg/L。另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在超凈工作臺(tái)上進(jìn)行，并封住杯口，避免雜菌污染。于1 h、3 h、6 h取樣并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)有3個(gè)平行樣，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 死活細(xì)菌數(shù)的測(cè)定

取Syto-9和碘化丙啶各3 μL，與待測(cè)菌液樣品均勻混合，避光染色20 min，隨后用孔徑為0.22 μm的濾膜過(guò)濾。將濾膜從濾頭中取出，置于潔凈的載玻片上并在熒光顯微鏡200倍下觀(guān)察并拍照，統(tǒng)計(jì)并換算出樣品中的死活細(xì)菌數(shù)。

1.3.2 胞外聚合物的測(cè)定

取20 mL樣品于試管中，將樣品在70 ℃下水浴加熱1 h，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾，得到胞外聚合物水溶液用于蛋白和多糖的定量測(cè)試。采用硫酸-蒽酮法測(cè)定多糖含量，取2 mL樣品并加入8 mL硫酸-蒽酮溶液，100 ℃下加熱10 min后放置至室溫。在620 nm波長(zhǎng)條件下采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度值。用葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)做標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。運(yùn)用Lowry法測(cè)定蛋白的含量，取4 mL樣品，加入1.2 mL福林酚試劑A液；靜置10 min后，加入0.4 mL福林酚試劑B液，混合后于避光條件下靜置30 min，在750 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 高嶺土對(duì)微生物的保護(hù)效果

如圖1所示，為不同氯濃度和高嶺土濃度下主體水溶液中活細(xì)菌數(shù)量。當(dāng)氯濃度為0 mg/L時(shí)，主體水溶液中活微生物的數(shù)量隨著高嶺土濃度變化不大；當(dāng)氯濃度升高到0.5 mg/L和1.0 mg/L，增加高嶺土的投加量會(huì)使得水中活微生物數(shù)量增加。具體地說(shuō)，當(dāng)氯濃度上升到0.5 mg/L，在1 h、3 h時(shí)，主體水溶液中的活微生物數(shù)量變化不大；在6 h時(shí)，隨著高嶺土濃度的升高有緩慢的上升（P=0.001）。在氯濃度為1 mg/L條件下，培養(yǎng)6 h后，高嶺土濃度從0增加到20 mg/L時(shí)，水中的生物量從（0.632±0.030）×104cells/mL上 升 到（1.373±0.062）×104cells/mL。以上可以看出在氯消毒作用下，高嶺土對(duì)微生物有保護(hù)效果，尤其在氯濃度為1.0 mg/L時(shí)比較顯著。加入顆粒物后，微生物得以附著在顆粒物表面，形成生物膜，導(dǎo)致了消毒劑在界面處的質(zhì)量轉(zhuǎn)移受到限制[2]。

2.2 高嶺土對(duì)微生物胞外聚合物分泌的影響

圖1 高嶺土濃度對(duì)活菌數(shù)量的影響

圖2為不同氯濃度及高嶺土濃度下水中微生物分泌的胞外聚合物。在氯濃度為0 mg/L時(shí)，隨著高嶺土濃度的升高，胞外多糖（PS）的分泌量也隨之上升。如在6 h時(shí)，高嶺土投加量為0，胞外多糖分泌量為（1.71±0.15）μg/mL；高嶺土投加量為20 mg/L，胞外多糖分泌量為（2.15±0.05）μg/mL。當(dāng)消毒劑濃度上升到0.5 mg/L時(shí)，胞外多糖的分泌量隨時(shí)間和高嶺土投加量都沒(méi)有較大變化。當(dāng)氯濃度上升到1.0 mg/L，胞外多糖的分泌量隨時(shí)間的推移和高嶺土投加量的增加都會(huì)增長(zhǎng)。具體地說(shuō)，在1 h時(shí)，當(dāng)高嶺土投加量從0 mg/L升高到20 mg/L時(shí)，胞外多糖分泌量從（0.63±0.04）μg/mL上升到（0.99±0.03）μg/mL；在6 h時(shí)，高嶺土投加量為0，胞外多糖分泌量為（0.74±0.04）μg/mL，高嶺土投加量為20 mg/L，胞外多糖分泌量為（1.20±0.04）μg/mL。

在無(wú)消毒劑和低消毒劑（0.5 mg/L）時(shí)，胞外蛋白（PN）的分泌量隨時(shí)間和高嶺土投加量基本沒(méi)有變化。在氯濃度為1 mg/L時(shí)，胞外蛋白的分泌量隨時(shí)間的推移和高嶺土投加量的增加都會(huì)增長(zhǎng)。具體地說(shuō)，在1 h時(shí)，高嶺土投加量為0 mg/L，胞外蛋白分泌量為（1.34±0.08）μg/mL；高嶺土投加量為20 mg/L，胞外蛋白分泌量為（2.03±0.28）μg/mL；在6 h時(shí)，高嶺土投加量為0 mg/L，胞外蛋白分泌量為（1.70±0.01）μg/mL；高嶺土投加量為20 mg/L，胞外蛋白分泌量為（2.66±0.10）μg/mL。

以上可以看出高嶺土促進(jìn)了胞外多糖和胞外蛋白的分泌。微生物在消毒劑存在的情況下分泌胞外蛋白被認(rèn)為是一種潛在的應(yīng)激反應(yīng)。如硫酸鹽還原菌在環(huán)境脅迫下會(huì)增加胞外聚合物的分泌量，且其中胞外蛋白所占比重高于胞外多糖，在細(xì)菌外部形成保護(hù)膜，從而將有毒物質(zhì)隔絕開(kāi)[3]。Sheng等人[4]也發(fā)現(xiàn)胞外蛋白有抵御外界有毒物質(zhì)的能力。

圖2 高嶺土濃度對(duì)胞外聚合物分泌的影響

3 結(jié)論

在氯消毒作用下，高嶺土?xí)ㄟ^(guò)促進(jìn)微生物胞外聚合物的分泌對(duì)飲用水中的微生物起到保護(hù)效果，且在氯濃度為1.0 mg/L時(shí)較為顯著。