高嶺土對飲用水中微生物保護效果的研究

谷正，余超，章鑫鑫，魯新珠

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009）

飲用水中顆粒物會給城鎮飲用水系統帶來一系列嚴重的問題。一方面，顆粒物中含鐵的氧化物會消耗管道中水的余氯含量，使消毒劑過量衰減，使用戶端余氯過低；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，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，有關顆粒物對飲用水中微生物生長的研究多集中于顆粒物對微生物保護效果的現象以及顆粒物本身的物理化學性質，但對于在消毒劑脅迫下顆粒物如何調控微生物生理行為進而影響其保護效果和分布特征的認知還不清晰。本研究以飲用水中微生物為研究對象，通過構建靜態模擬實驗裝置，考察了氯脅迫下高嶺土對微生物的保護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方面的運用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高嶺土，國藥集團；次氯酸鈉溶液、濃硫酸，分析純，國藥集團；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Waterman；蒽酮，優級純，上海阿拉丁；Lorry低蛋白試劑，上海荔達。

SW-CJ-1FD超凈工作臺，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紫外可見分光光度計，上海尤尼柯。

1.2 實驗設置

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，并進行胞外聚合物分泌量的測定。實驗選擇在無菌環境下的靜止系統中進行，使用燒杯作為反應器。用75%的酒精將水龍頭消毒，打開水龍頭，讓水流淌5 min，量取自來水5 L，將水樣在室溫下靜置24 h以去除自來水中的余氯。取1 L準備好的自來水，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水中分布均勻。此外，設定一系列消毒劑的濃度梯度，消毒劑使用NaClO母液，在各反應器中添加一定量的NaClO母液，使各反應器環境中余氯濃度分別為0 mg/L（對照）、0.5 mg/L、1.0 mg/L。另外，實驗過程均在超凈工作臺上進行，并封住杯口，避免雜菌污染。于1 h、3 h、6 h取樣并進行相關指標的測定，每組實驗均設有3個平行樣，以保證實驗的準確性。

1.3 實驗方法

1.3.1 死活細菌數的測定

取Syto-9和碘化丙啶各3 μL，與待測菌液樣品均勻混合，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倍下觀察并拍照，統計并換算出樣品中的死活細菌數。

1.3.2 胞外聚合物的測定

取20 mL樣品于試管中，將樣品在70 ℃下水浴加熱1 h，經0.22 μm濾膜過濾，得到胞外聚合物水溶液用于蛋白和多糖的定量測試。采用硫酸-蒽酮法測定多糖含量，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波長條件下采用紫外分光光度計測定其吸光度值。用葡萄糖作為標準物質做標準曲線。運用Lowry法測定蛋白的含量，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波長下測定其吸光度值。

2 結果與分析

2.1 高嶺土對微生物的保護效果

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菌數量。當氯濃度為0 mg/L時，主體水溶液中活微生物的數量隨著高嶺土濃度變化不大；當氯濃度升高到0.5 mg/L和1.0 mg/L，增加高嶺土的投加量會使得水中活微生物數量增加。具體地說，當氯濃度上升到0.5 mg/L，在1 h、3 h時，主體水溶液中的活微生物數量變化不大；在6 h時，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6 h后，高嶺土濃度從0增加到20 mg/L時，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，高嶺土對微生物有保護效果，尤其在氯濃度為1.0 mg/L時比較顯著。加入顆粒物后，微生物得以附著在顆粒物表面，形成生物膜，導致了消毒劑在界面處的質量轉移受到限制[2]。

2.2 高嶺土對微生物胞外聚合物分泌的影響

圖1 高嶺土濃度對活菌數量的影響

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，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，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。當消毒劑濃度上升到0.5 mg/L時，胞外多糖的分泌量隨時間和高嶺土投加量都沒有較大變化。當氯濃度上升到1.0 mg/L，胞外多糖的分泌量隨時間的推移和高嶺土投加量的增加都會增長。具體地說，在1 h時，當高嶺土投加量從0 mg/L升高到20 mg/L時，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，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。

在無消毒劑和低消毒劑（0.5 mg/L）時，胞外蛋白（PN）的分泌量隨時間和高嶺土投加量基本沒有變化。在氯濃度為1 mg/L時，胞外蛋白的分泌量隨時間的推移和高嶺土投加量的增加都會增長。具體地說，在1 h時，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，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為是一種潛在的應激反應。如硫酸鹽還原菌在環境脅迫下會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，在細菌外部形成保護膜，從而將有毒物質隔絕開[3]。Sheng等人[4]也發現胞外蛋白有抵御外界有毒物質的能力。

圖2 高嶺土濃度對胞外聚合物分泌的影響

3 結論

在氯消毒作用下，高嶺土會通過促進微生物胞外聚合物的分泌對飲用水中的微生物起到保護效果，且在氯濃度為1.0 mg/L時較為顯著。