紫外線對輪蟲的滅活效果及動力學分析

張爍

摘要：采用消毒方式滅活無脊椎動物是控制活體無脊椎動物進入供水管網的有效手段。本研究主要探究紫外線對飲用水中的優勢無脊椎動物——輪蟲的滅活效果。研究結果顯示：紫外線強度和劑量對輪蟲的滅活效果均有影響。強度相同時，劑量越大滅活效果越好，當紫外線劑量達到3000J/m2時可實現對輪蟲的完全滅活。劑量相同時，高強度、短時間的輻照對輪蟲的滅活效果越好。紫外線滅活輪蟲的反應符合兩階段一級反應動力學模型，并且k1始終小于k2。濁度和有機物濃度都會降低紫外線對輪蟲的滅活率。

Abstract： Inactivating invertebrates by disinfection is an effective method to control living invertebrates entering the water supply network. This study mainly explored the inactivation effect of ultraviolet （UV） on rotifers， the dominant invertebrate in drinking water. The results show that：both the intensity and dose of UV have an impact on the inactivation of rotifers. When the intensity is the same， the larger the dose， the better the inactivation effect. When the UV dose reaches 3000 J/m2， the rotifers can be completely inactivated. When the dose is the same， high-intensity and short-radiation time are better for the inactivation of rotifers. The inactivation reaction conforms to the two-stage first-order reaction kinetic model， and k1 is always smaller than k2. Both turbidity and organic matter concentration reduce the inactivation rate of rotifers by UV.

關鍵詞：飲用水;紫外線;輪蟲;滅活;滅活動力學

Key words： drinking water;UV;rotifer;inactivation;inactivation kinetics

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0197-03

0? 引言

隨著臭氧-生物活性炭深度處理工藝在飲用水處理中的應用，無脊椎動物過度繁殖和泄漏的問題越來越得到研究者的重視和關注[1，2]。無脊椎動物存在于供水系統中會給供水安全帶來一定的感官風險和潛在的生物安全風險[2]，因此需要采取有效措施來控制無脊椎動物的繁殖和泄漏。在飲用水處理系統中針對無脊椎動物的控制策略主要包括優化處理工藝、強化過濾截留和有效殺滅[3]。其中有效殺滅是基于自來水廠消毒環節，探究不同消毒方式對無脊椎動物的滅活效果，以期減少進入供水管網中活體無脊椎動物的數量。采用較多的消毒方式主要有氯、二氧化氯、臭氧和紫外線等。

紫外線是一種有效的、不會產生消毒副產物的物理殺菌方法，在給水處理中顯示了很好的市場潛力[4，5]。紫外線主要是通過對微生物的DNA和RNA產生破壞而達到殺菌的目的[6]。紫外線的殺菌效率高。當紫外強度為3×104μw/cm2時，紫外線殺滅病毒及細菌約需0.1～1秒的接觸時間、殺滅霉菌孢子需1～8秒、殺滅藻類需5～40秒[7]。有關紫外線滅活無脊椎動物的研究還不多。Chen等[8] 和Matsumoto等[9]分別探究了紫外線對橈足類和線蟲的滅活效果。研究表明，輪蟲通常是飲用水處理系統中的優勢無脊椎動物[10]。為了在飲用水無脊椎動物污染控制中選擇有代表性的種類，并了解不同種類的無脊椎動物在紫外線作用下的不同表現特征，本文以淡水中常見的萼花臂尾輪蟲的純培養樣本為研究對象，探討紫外線對輪蟲的滅活效果和滅活動力學。

1? 材料與方法

1.1 輪蟲的培養

輪蟲的培養方式參照Lu等人[11]的研究：將輪蟲在體視顯微鏡（日本，Olympus，SZ61TR）下轉移至EPA培養基（96mg NaHCO3，60mg CaSO4，60mg MgSO4，4mg KCl，1L 去離子水，pH7.5）中放大培養;每日投喂小球藻（小球藻的培養方式參照Yang等[12]的研究），投喂密度控制在106cells/mL，為避免小球藻培養基對輪蟲生長繁殖的影響，投喂前將小球藻液用EPA培養基反復沖洗3～4次（用離心機在4000轉/min下離心5min）;培養是在25±1℃恒溫光照培養箱（中國，新苗，GZX-150BS-Ⅲ）中進行，光照強度為200 lux，晝長比為16h：8h。每48h需更換培養液1次。實驗前，需將放大培養的輪蟲用純水反復沖洗幾次。

1.2 紫外滅活實驗

以直徑為60mm的培養皿為實驗容器，以10mL純水為實驗基質，向每個培養皿中加入28～32只大小相近（體長、體寬分別在250μm和150μm左右）、游泳能力較強的輪蟲。紫外線輻照裝置（如圖1所示）由紫外線燈管、燈箱、平行光管、遮光板和升降臺構成。設置不同高度的平行光管是為了控制紫外燈管到培養皿的距離，進而改變紫外線輻照強度。紫外線輻照強度（I，W/m2）用紫外線輻照計對254nm波長進行測定。本實驗中使用的紫外線輻照強度為1、1.5、2.0W/m2。紫外線輻照劑量（D，J/m2）為紫外線輻照強度和紫外輻照時間（t，s）的乘積。實驗前開啟裝置預熱30min，待紫外燈穩定后使用。然后將培養皿轉移至紫外燈下輻照。輻照一定時間后，蓋上遮光板，隨后在體視顯微鏡下觀察輪蟲的存活狀況。輪蟲死亡判斷依據為15s內蟲體及內臟器官保持不動并用針尖刺激蟲體無反應。

1.3 滅活效果評價

紫外線滅活輪蟲的效果依據滅活率（S）來判斷，計算公式如下：

S=（N0-N）/N0×100%? ? ? ? ? （1）

式中：N：滅活反應一定時間段后的輪蟲存活數，ind;N0：初始輪蟲存活數，ind;S：輪蟲滅活率，%。

1.4 分析方法

TOC采用島津TOC測定儀測定，濁度采用哈希2100N濁度儀測定。所有數據平行測定3次，結果取平均值。

2? 結果與討論

2.1 紫外線輻照對輪蟲的滅活效果

不同紫外線輻照強度和劑量條件下輪蟲的滅活率顯示在圖2中。

可以看出，當紫外線輻照強度相同時，隨著紫外線輻照劑量的增加，輪蟲的滅活率上升。自來水廠常規的紫外線消毒劑量多為400J/m2[13]。在本研究中，當紫外線劑量為600J/m2時，輪蟲的滅活率小于20%，滅活效果很差。當紫外線劑量達到3000J/m2時，才能實現對輪蟲的完全滅活。可見，自來水廠常規劑量紫外消毒對輪蟲的滅活效果不佳。朱潔等[14]對上海某采用紫外線消毒的自來水廠進行取樣發現，紫外線消毒對無脊椎動物（包括輪蟲、線蟲、甲殼類等）整體的滅活率僅為4.6～26.9%。

當紫外線輻照劑量相同時，隨著紫外線輻照強度的增強（輻照時間縮短），輪蟲的滅活率上升。即在同一紫外線劑量下，高強度、短時間的輻照對輪蟲的滅活效果越好。以紫外線輻照劑量為1800J/m2為例，當紫外線輻照強度為1、1.5和2.0W/m2時，輪蟲滅活率分別為51.6%、58.2%和71.5%。一般來說，紫外線強度在1～20mW/cm2范圍內，紫外線劑量—滅活率響應曲線遵循輻照強度與輻照時間可逆法則[15]。在本研究中，使用的紫外線輻照強度較小，因此，在較高輻照強度下，紫外線滅活輪蟲是否還遵循高強度、短時間的輻照，滅活效果越好的規律還需進一步驗證和探究。

2.2 紫外線滅活輪蟲的動力學分析

由表1可知，各紫外線輻照強度條件下，兩階段擬合的相關系數均大于0.9，因此各紫外線輻照強度下的ln（N/N0）與紫外線輻照劑量具有較強的線性關系，即在實驗條件范圍內，紫外線滅活輪蟲的反應符合兩階段一級反應動力學模型。

本研究中k1始終小于k2，與次氯酸鈉滅活劍水蚤的動力學結果相似[16]。分析認為，在輪蟲體內有抗氧化防御系統，在紫外線輻照劑量較低時，輪蟲未出現過多的死亡，說明此時輪蟲體內的抗氧化防御系統耐受還未達到上限;而當Dt超過D時，抗氧化防御系統耐受力突破上限，輪蟲快速死亡。

2.3 紫外線滅活輪蟲的影響因素分析

本研究是在基質為純水中進行，而實際自來水中含有多種物質，會對紫外線滅活效果產生影響。本研究中主要考慮濁度和有機物濃度對輪蟲滅活效果的影響。

2.3.1 濁度的影響

選用1.5W/m2的輻照強度、1800J/m2的輻照劑量，向純水中加入高嶺土來改變濁度，設計濁度為0.1～9.1NTU，濁度對滅活效果的影響如圖4所示。

由圖4可見，隨著濁度的增加，輪蟲滅活率逐漸降低。當濁度為3.2NTU時，輪蟲的滅活率相較于原水降低了26%。濁度會對紫外線的滅活效果產生影響的原因可能有：懸浮物的吸收和散射作用使紫外線光強度降低;顆粒對輪蟲起到了遮蔽作用，從而保護了輪蟲。

2.3.2 有機物濃度對滅活的影響

選用1.5W/m2的輻照強度、1800J/m2的輻照劑量，向純水中加入腐殖酸來改變有機物濃度，利用TOC指標來代表有機物的濃度。分別控制TOC濃度為0mg/L、1mg/L、3mg/L、5mg/L、7mg/L、9mg/L，有機物濃度對滅活效果的影響如圖5所示。

由圖5可見，隨著有機物濃度的增加，紫外線對輪蟲的滅活率同樣逐漸下降。當TOC=1mg/L時，對輪蟲的滅活率影響較小，較TOC濃度為0的對照組下降了2%;當TOC=9mg/L，輪蟲的滅活率下降了37%。有機物的存在對紫外線滅活輪蟲有一定的影響，分析認為是腐殖酸會消耗部分紫外線進行光解作用，從而影響紫外線對輪蟲的滅活效果。此外，試驗條件下腐殖酸溶液色度均接近于0，因此不考慮試驗中色度對紫外線滅活輪蟲的影響。

3? 結論

①自來水廠常規劑量的紫外消毒對輪蟲的滅活效果不佳。當紫外線劑量達到3000J/m2時，可實現對輪蟲的完全滅活。②在同一紫外線劑量下，高強度、短時間的輻照對輪蟲的滅活效果越好。③紫外線滅活輪蟲的反應符合兩階段一級反應動力學模型，并且第1階段的反應速率小于第2階段。④濁度和有機物濃度都會降低紫外線對輪蟲的滅活率。

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