凈水工藝單元中微生物多樣性的研究進展

劉 威,郭新明,李月興,孫義敏,王 松,王菁華

(黑龍江省科學院自然與生態研究所,哈爾濱 150040)

威脅飲用水安全的首要問題是微生物安全[1]。研究發現,經過嚴格的消毒處理后,飲用水呈現貧營養、消毒劑余量等狀態,但水中的微生物依然可能存在[2-3]。近年來,隨著檢測技術的發展,人們對飲用水中的微生物安全風險開展了各類研究[4]。Oie S.等[5]抽檢了日本某縣的礦泉水樣品(27份),菌落總數結果顯示,10份本地生產的礦泉水中超標1份,菌落總數為1.8×103CFU/mL,不合格率為10.0%。任葳等[1]對西北某市水源水進行真菌菌群結構調查研究,結果顯示,隱球菌屬、暗球腔菌屬、鐮刀菌屬、青霉屬4種類型為優勢種屬。飲用水水源地沉積物、凈水工藝單元中有大量的微生物存在,微生物生長繁殖過程中代謝產生的代謝產物會相對穩定的釋放,影響飲用水品質及人體健康[6],故在飲用水微生物安全及控制技術研究過程中掌握微生物群落多樣性與時空分布變化規律具有重要意義[7]。

本研究綜述了各凈水工藝單元對微生物的去除作用、微生物檢測技術及微生物群落結構在凈水工藝單元中的動態變化研究進展,以期為致病微生物防治提供一定的理論基礎。

1 凈水工藝單元對微生物的去除作用及其局限性

凈水工藝單元主要包括常規工藝(絮凝沉淀、砂濾等)與深度處理工藝(臭氧氧化、活性炭過濾等)單元。在飲用水各工藝單元出水中,將去除部分化學物質、大的雜質及微生物,極大保障飲用水的品質。但微生物的去除機制較為復雜,與原水水質情況、環境指數及水處理方式等關系密切,凈水工藝單元的組合順序及所用材料品類對其去除效力也會產生很大的影響[8]。

1.1 臭氧氧化工藝單元對微生物的去除及影響

臭氧(O3)具有極強的氧化性,在水中溶解度較高,水中的部分微生物可被其殺死,甚至可以去除如幽門螺旋桿菌等VBNC狀態下的微生物[9-10]。Feridun Demir等[11]認為,臭氧對微生物種群的去除率高達99%。與氯消毒相比,臭氧具有消毒劑量低、速度快、殘留少的特點,能有效殺滅耐氯菌[12-14]。

臭氧因生產成本相對較高、長期儲存受限、消殺持久性差,限制了臭氧消毒技術在水處理工藝中的廣泛應用。在實際生產中臭氧使用濃度較低,對有機物氧化分解后殘余濃度更低,消殺作用較小的可用于炭濾池中,臭氧分解形成的溶解氧及有機物可促進生物活性炭附著微生物群落的更新,增強其生長活性。但飲用水的品質可能會受到臭氧消毒副產物及強致突變物質的影響,進而增加水質惡變的可能[15-16]。

1.2 活性炭單元對微生物的去除及影響

活性炭經炭化及活化過程制備而成[17]。當水中大量的微生物附著于活性炭表面后,兩者會形成一個生物膜來吸附污染物,利用生物膜氧化分解污染物質[18]。常規活性炭由于灰分高、選擇性吸附能力差、孔徑分布不均,限制了其對水中污染物的吸附[19]。Jost Wingender等[20]研究認為,在飲用水的生產過程中存在生物膜,可形成一個相對閉合的體系,為微生物群落的留存提供條件,增加了飲用水微生物泄露的可能。有研究表明,生物活性炭濾池成熟后,出水中含有的微生物量較砂濾池出水明顯增多[21]。

生物活性炭濾池運行一段時間后,為了提高水中微污染有機物的降解效率,需對炭濾池進行反沖洗以恢復其生物活性,但在進行一段時間的反沖洗后,可能會增加出水中微生物群落的多樣性及豐度[22]。此外,因部分微生物代謝生成的毒性蛋白難以去除,可能導致飲用水的品質受到影響[23]。

1.3 消毒工藝單元對微生物的去除及影響

消毒工藝單元是消除病原微生物并提供凈化飲用水的關鍵保障[24]。不同消毒技術對微生物種株、生長狀態及群落存在狀態的消殺能力不同[25];微生物對氯、臭氧及紫外線在不同環境條件下抗性不同,甚至會產生抗性菌[26]。

在飲用水消毒方法中,氯消毒對微生物有良好的消殺效果,應用最為廣泛。但氯消毒后水中殘留的消毒劑很難完全阻止管網中微生物的附著繁殖[27]。Baker K等[28]發現,部分致病微生物(幽門螺旋桿菌等)難以被一定濃度的氯(0.05～6 mg/L)去除,此類微生物無法被消除,還有可能被誘導成VBNC態的微生物。如果在生物活性炭濾池存留具有較強抗氯性的微生物(如軍團菌、分枝桿菌等),依附于炭粒,依靠氯消毒等消毒方式將難以殺滅。目前,聯合消毒技術成為了主流的研究方向[29]。

微濾與超濾技術是一種能夠有效去除水中污染物及微生物(包括病毒)的膜技術消毒手段,可避免產生消毒副產物。但膜法飲用水處理技術因其成本高、劣化、膜污染、化學及生物降解等問題導致應用受限[30-33]。

2 微生物檢測技術在凈水工藝單元中的應用

2.1 傳統微生物學方法研究現狀

顯微鏡觀察、純種分離純化培養及生理生化反應等屬于傳統微生物研究方法。John等[34]通過分離培養水體中的細菌發現,出廠水中比未經處理的原水中的多重耐藥(MDR)細菌更為常見。傳統微生物學方法發揮了重要的作用,但水體中含有大部分不可培養的微生物[35],傳統培養基具選擇作用,造成培養結果與水體中實際微生物多樣性特征等信息偏差甚遠[36]。

2.2 分子生物學技術研究現狀

20世紀90年代,越來越多的分子生物學技術被大量引入。相比于傳統的微生物培養手段,現代分子生物學方法能夠較全面地反映微生物群落的多樣性,較精確地揭示微生物進化關系及其相關生態功能。

2.2.1 磷脂脂肪酸圖譜分析(phospholipid fairy acid,PLFA)

磷脂脂肪酸圖譜分析可定性、定量分析飲用水系統中的微生物群落多樣性。Moll等[37]發現,濾池內細菌群落多樣性受臭氧氧化、接觸時間及含氯水反沖洗方式的影響。盡管PLFA圖譜分析法具有準確定量的優點,能有效揭示環境微生物群落的結構變化,但卻不能有所突破。

2.2.2 克隆文庫法

克隆文庫法是基于數據庫中的已知序列進行比對鑒定微生物種類,能夠反映樣本中微生物的多樣性與菌群結構。該方法在飲用水給水系統微生物的測定中得到了廣泛應用。Li等[38]利用上述技術分析發現,BAC系統中的細菌群落結構可通過外加磷源來改變。王敏等[39-40]通過克隆文庫的分析發現,活性炭表層生物膜中具有豐富的細菌種群多樣性,檢測到的活性炭表面微生物的種群主要有生絲微菌與單胞菌屬及紅環菌、醋桿菌、離中不粘柄菌及BacteriumEllin331?？寺∥膸旆m在分子研究方面受到認可,但因其分析克隆數目需求大、耗時長、費用高,不利于持續對研究對象的種群結構多樣性變化展開追蹤分析[41]。

2.2.3 變性梯度凝膠電泳(DGGE)

變性梯度凝膠電泳技術在給水系統中主要用于分析處理系統及配水系統中真菌、細菌群落結構及其影響因素[42-43]。Farahnaz Emtiazi等[44]采用PCR-DGGE方法檢測生物膜樣品中微生物群落多樣性,發現在不同采樣點的微生物群落組成不同,大多數細菌為β變形菌。宋巍[45]利用DGGE方法分析了5 種不同類型飲用水源中環境因子與微生物群落結構間的相關性,得出同一種水樣的微生物群落結構相似。此外,DGGE方法可用來研究評價不同給水處理工藝出水的微生物學水質[46]。但其操作煩瑣,不適合做定量分析[47]。

2.3 高通量測序技術(high-throughput sequencing)分析群落多樣性

現代分子生物學技術克服了傳統微生物學培養方法獲取微生物信息的局限性,但相比于快速發展的高通量測序技術,對大部分微生物在環境中的發掘還不夠全面。目前,454焦磷酸測序(Pyrosequencing)技術與Illumina測序平臺是主要用于飲用水微生物群多樣性研究的高通量測序平臺。

2.3.1 454焦磷酸測序技術

基于454焦磷酸測序技術的研究表明,BAC上微生物群落多樣性很高,變形菌門為主要優勢菌,但變形菌門主要組分比例會受到活性炭濾池進水不同濃度的DOC及氨氮的顯著影響[48]。Soondong Kwon等[49]通過焦磷酸測序技術對一個帶微濾裝置的中試水廠進行微生物群落研究發現,原水中含有比例高達61.1%的β變形菌綱,除了常見的變形菌外,還有假單胞菌、軍團菌、色素細菌及氣單胞菌屬等。Huirong Lin等[50]分別對傳統水處理及臭氧-活性炭深度處理系統的各個環節出水中的細菌多樣性進行研究,結果表明,兩系統中的細菌群落多樣性高度相似,β變形菌綱為優勢菌,兩個水處理工藝對水體中的微生物群落組成及水質影響較大。

2.3.2 Illumina測序技術

與上述測序技術相比,Illumina測序具有易操作、通量高、低成本、結果準確度高及靈敏更高等突出優勢,因此454焦磷酸測序技術被逐漸取代。目前Illumina測序對飲用水系統環境樣本進行測序是其在飲用水系統中的應用主要方向,能夠分析群落時空變化,尋找引起水質變化的可能根源,并結合變化的環境因子,為防控水處理中微生物安全問題提供理論依據。

基于Illumina測序技術的研究表明,微生物群落的結構在絮凝沉淀及預氧化處理過程中幾乎沒有影響,而對微生物群落結構影響較大的處理單元為臭氧處理、活性炭濾池、砂濾池及消毒單元[51]。Qi Li等[52]采用Illumina測序技術發現,細菌群落組成在臭氧氧化出水、BAC出水及消毒后會隨采樣時間的變化而變化。Huiting Wu等[53]證實了變形菌門是飲用水實際配水系統中的優勢菌門,水處理方式能改變傳輸過程中生物膜上的細菌群落結構。Zilong Mi等[54]研究表明,飲用水系統中生物膜的微生物多樣性與群落結構會受到消毒劑種類及劑量的影響,經氯胺與氯處理后的生物膜上優勢菌分別為變形菌門與厚壁菌門,且氯胺消毒會比氯消毒對細菌群落的影響更大。

3 結束語

飲用水生產過程中的凈水工藝單元能夠去除大的雜質、部分化學物質及微生物,極大地保障飲用水安全,其中常規工藝(絮凝沉淀、砂濾等)與深度處理工藝(臭氧氧化、活性炭過濾、消毒等)是控制飲用水致病微生物的重要防線。但隨著季節及環境因子的變化,凈水工藝出水中微生物菌群多樣性呈現動態變化,致病微生物亦常被檢出,飲用水安全受到潛在威脅。運用先進的微生物檢測技術、掌握供水系統中微生物群落組成的遷移變化規律,可為供水系統中致病微生物的風險控制及優化防控提供理論基礎。未來,需長期監測凈水工藝單元出水中的致病微生物,建立快速檢測方法,制定生物防控措施,保障飲用水的安全。