紫外線劑量對大腸桿菌光復活的影響

宋孟鑫， 張吉庫， 寧 楠

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧沈陽100168)

紫外線消毒具有殺菌快速廣譜、無有害消毒副產物、操作安全方便、運行維護簡單等優點，已被廣泛應用于水處理工藝中[1-5]。但是由于缺乏持續的消毒效果，水中微生物易產生二次光復活現象，紫外線消毒的應用受到限制。因此，如何有效控制紫外線消毒產生的光復活現象，是當前需要解決的問題。孫雯等[6]的研究表明，當紫外線劑量為120 mJ/cm2時，大腸桿菌光復活率比紫外線劑量為5 mJ/cm2時降低了3個對數數量級。筆者以大腸桿菌為研究對象，通過改變紫外線強度和輻射時間，分析了紫外線劑量對紫外線消毒后水中大腸桿菌光復活現象的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗菌種與用水

取2 mL大腸桿菌原液于新鮮的液體營養培養基中，于37 ℃以160 r/min恒溫振蕩、培養24 h，除去上清液后留存備用。

試驗水樣：取一定量的大腸桿菌溶液，滴加至140 L實驗室自來水中，制成細菌濃度約為105CFU/mL的試驗用水。

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用強化導流(DR)型紫外線消毒器，工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Flow chart of test process

紫外燈選用6支低壓低強度類型燈管，燈管額定功率為20 W，長度為490 mm，通過改變燈管數量來控制紫外線強度。在側壁上等距離設置5個取樣口，取樣分別對應不同的停留時間。日光燈管選用3支Led燈管，額定功率為22 W，長度為300 mm。設置在避光箱內，以避免實驗室光照對試驗效果的影響。

1.3 試驗方法

1.3.1 紫外線消毒試驗

控制流量計流量為1.55 m3/h，分別開啟DR型紫外線消毒器的0，2，4，6根紫外光燈管。等待最大停留時間后，從第5取樣口取樣，測定不同紫外線劑量下水樣中大腸桿菌的濃度，計算大腸桿菌的對數滅活率。

1.3.2 光復活試驗

將紫外線消毒后的水樣置于完全封閉的遮光箱內，在日光燈下40 cm處照射。開啟3根日光燈管，測定光照時間分別為0，2，4，6，8，12，24，48和72 h后水樣中細菌的濃度，計算大腸桿菌的對數光復活率。

1.4 檢測方法

采用品紅亞硫酸鈉濾膜法檢測大腸桿菌。使用滅菌濾膜過濾器過濾水樣，將大腸桿菌截留在濾膜上。將濾膜放在品紅亞硫酸鈉培養基上，37 ℃下恒溫培養24～48 h后，取出直接計數[7]。每組水樣取3個平行樣板，計數結果取平均值。

1.5 評價方法

大腸桿菌紫外線消毒對數滅活率計算公式如下[8]：

P=lg(N0/N)

(1)

式中：P為微生物對數滅活率；N0為紫外線消毒前水中大腸桿菌的數量，CFU/mL；N為紫外線消毒后水中大腸桿菌的數量，CFU/mL。

2 結果與討論

2.1 紫外線強度對大腸桿菌光復活的影響

當紫外線輻射時間為21 s時，將含大腸桿菌的水樣分別經過紫外線強度為1.28，2.72和4.42 mW/cm2的紫外線消毒后，在相同復活光條件下的試驗結果如圖2所示。

圖2 紫外線強度對大腸桿菌光復活的影響Fig.2 The effect of ultraviolet intensity on photoreactivation of Escherichia coli

由圖2可知，當輻射時間一定時，紫外線強度越強，大腸桿菌對數復活率越小。當紫外線強度為1.28 mW/cm2(紫外線劑量等于26.88 mJ/cm2)時，經復活光光照6 h后，大腸桿菌的光復活率達到3.23個對數數量級，經紫外線消毒后的滅活率恢復高達64.6%，光復活速率快。當紫外線強度為2.72 mW/cm2(紫外線劑量等于57.12 mJ/cm2)時，經復活光光照12 h后，大腸桿菌的光復活率為1.46個對數數量級，經紫外線消毒后的滅活率恢復29.2%，光復活速率較慢。當紫外線強度大于4.42 mW/cm2(紫外線劑量大于92.28 mJ/cm2)時，經復活光光照12 h后，大腸桿菌的光復活率僅為1.16個對數數量級，經紫外線消毒后的滅活率仍恢復23.2%，與紫外線強度為1.28 mW/cm2時相比減少2.72個對數數量級，光復活速率慢；12 h后光復活速率相較于紫外線強度為1.28 mW/cm2時快。

2.2 紫外線輻射時間對大腸桿菌光復活的影響

當紫外線強度為4.42 mW/cm2時，將含大腸桿菌的水樣分別經過7，14 和21 s紫外線消毒。由圖3可以看出，當紫外線強度一定時，紫外線輻射時間越長，大腸桿菌對數復活率越小。當水力停留時間為7 s、紫外線劑量等于30.94 mJ/cm2時，經復活光光照6 h后，大腸桿菌的光復活率高達3.08個對數數量級，經紫外線消毒后的滅活率恢復61.6%，光復活速率較快。水力停留時間大于14 s，紫外線劑量大于61.88 mJ/cm2時，復活光光照12 h后，大腸桿菌的光復活率為1.24個對數數量級，占滅活數量的24.8%，較水力停留時間為7 s時減小2.57個對數數量級，光復活速率慢；12 h后光復活速率較水力停留時間為7 s時快。

圖3 紫外線輻射時間對大腸桿菌光復活的影響Fig.3 The effect of different ultraviolet radiation time on photoreactivation of Escherichia coli

3 試驗原理

3.1 紫外線消毒機理

紫外線對水中微生物的消毒作用，主要是通過C波段紫外線對微生物的輻射，損傷了其體內核酸的結構使其致死，由此達到消毒的效果。核酸在紫外線的作用下，分子上兩個相近的胸腺嘧啶(T)或胞嘧啶(C)之間能夠由共價鍵相連，組成環丁烷型嘧啶二聚體(T<>T)[9]。紫外線主要通過這種促成環丁烷型嘧啶二聚體的形成的方式，造成對核酸分子的損傷。

3.2 光復活機理

光復活現象是一種在光作用下的DNA修復過程，根據修復原理不同可分為光修復和暗修復。光修復是在可見光的作用下，因為某些微生物DNA內存在光復活酶，使胸腺嘧啶二聚體被解聚成單體，從而恢復DNA復制功能的過程。暗復活修復是微生物在經受紫外線輻射時，因為DNA的復制過程減慢，復原損傷的時間滯后，使紫外線損傷在有效時間內實現修復的過程。

在水的消毒過程中暗修復現象較少發生，主要考慮光復活現象的DNA光修復。光復活現象分兩步進行：第一步，DNA光復活酶特異性地結合到含T<>T的DNA上，在光照條件下，向T<>T二聚體轉移一個電子，生成了光復活酶-二聚體的化合物；第二步，光復活酶-二聚體的化合物在光解作用下釋放光復活酶，逆解二聚體使其單體化[10]。

4 結論

① 經紫外線消毒后的大腸桿菌會在一定的復活光照射條件下，產生光復活現象，光復活能力受紫外線劑量大小影響。

② 當輻射時間不變時，紫外線強度越強，大腸桿菌光復活率越小。當強度不變時，紫外線輻射時間越長，大腸桿菌光復活率越小。

③ 提高紫外線劑量有利于控制大腸桿菌的光復活程度，較高紫外線劑量輻射下的大腸桿菌，其光復活程度顯著低于較低紫外線劑量輻射下。

④ 經較高紫外線劑量輻射后的大腸桿菌，其產生光復活現象的時間顯著滯后于較低紫外線劑量。