氯對細(xì)菌與管材間交互作用及附著行為的影響

蔡寅諾,劉 麗,陳國煒,鐘疏影

氯對細(xì)菌與管材間交互作用及附著行為的影響

蔡寅諾,劉 麗*,陳國煒,鐘疏影

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

為探究飲用水中消毒劑對細(xì)菌在管材粗糙表面上附著行為的影響機(jī)制,探討了消毒劑條件下細(xì)菌在不同類型、不同粗糙程度管材上的附著行為,并借助于基于表面熱力學(xué)的XDLVO(extended-Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理論解析細(xì)菌與粗糙表面的交互作用過程.結(jié)果表明,投加氯(￡1.0mg/L)明顯促進(jìn)了細(xì)菌在管材表面的附著(相較于未投加時擴(kuò)大4～6倍),且細(xì)菌更傾向于在塑料管材表面定殖,增大管材表面粗糙度進(jìn)一步促進(jìn)了細(xì)菌的附著.基于XDLVO理論解析表明,1.0mg/L氯提高了細(xì)菌與管材表面間的酸堿作用項和范德華作用項,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌的表面附著行為;而增大管材表面粗糙程度進(jìn)一步強(qiáng)化了這一交互過程.相較于不銹鋼管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材促進(jìn)了其與細(xì)菌表面的交互吸引作用能,特別在1.0mg/L氯條件下管材與細(xì)菌的相互作用能增加了4～6倍,進(jìn)而有助于細(xì)菌的表面附著聚集.

飲用水；消毒劑；給水管材；粗糙表面；XDLVO理論

飲用水系統(tǒng)中細(xì)菌時刻面對消毒劑、貧營養(yǎng)和水流波動等環(huán)境脅迫,通常傾向于附著管材等固體表面以生物膜形式聚集生長[1].生物膜的存在會引起一系列飲用水水質(zhì)惡化問題,如導(dǎo)致水體變色、濁度升高以及病原體和抗性細(xì)菌的擴(kuò)散和傳播[2-3].

為了抑制細(xì)菌的生長和繁殖,飲用水系統(tǒng)中通常維持一定濃度的消毒劑[4].研究表明,消毒劑會抑制細(xì)菌生長繁殖進(jìn)而控制生物膜的形成.如Zhang等[5]通過運(yùn)行改良的生物膜反應(yīng)器發(fā)現(xiàn)氯化條件下管材生物膜量低于無氯化管材生物量.通過運(yùn)行CDC反應(yīng)器來培養(yǎng)不同管材表面生物膜,Aggarwal等[2]發(fā)現(xiàn)氯胺的加入明顯的抑制了微生物的增長.也有研究表明,低濃度消毒劑會促進(jìn)細(xì)菌的運(yùn)動和胞外聚合物的生成,進(jìn)而有助于細(xì)菌的聚集[6-7].此外,飲用水系統(tǒng)中管道材料也是影響生物膜形成的關(guān)鍵因素[8].金屬管材和塑料管材表面的物理特征和化學(xué)成分差異可能導(dǎo)致所形成生物膜具有顯著差異[3].如Jiang等[9]通過環(huán)形反應(yīng)器來探究不同管材生物膜特性,發(fā)現(xiàn)不銹鋼管道上附著生物量最少,具有較高的水質(zhì)安全性.而Li等[10]的研究發(fā)現(xiàn)鑄鐵有助于提高生物膜生物量和其種群多樣性.

也有研究表明,細(xì)菌和載體表面的物理化學(xué)性質(zhì)(如粗糙度、疏水性和化學(xué)活性等)干預(yù)細(xì)菌之間、細(xì)菌與粗糙表面間的復(fù)雜交互作用,進(jìn)而影響細(xì)菌在載體表面的附著聚集行為[11-12].增大固體表面粗糙度不僅擴(kuò)大了細(xì)菌與表面間的接觸面積,也有助于減少附著細(xì)菌附近的水流剪切應(yīng)力[13].Ammar等[14]研究發(fā)現(xiàn),固體表面較大凸起處降低了細(xì)菌與其的能量屏障,更有利于細(xì)菌的粘附.此外,具有中等疏水性的聚合物表面(接觸角約90°),強(qiáng)化細(xì)菌與固體表面之間的疏水作用,加速了大腸桿菌的表面附著[15].然而,目前對于飲用水中不同消毒劑條件如何影響這一復(fù)雜交互作用進(jìn)而干預(yù)生物膜形成過程的認(rèn)識尚不清晰.

因此,本文以飲用水細(xì)菌為研究對象,探討了消毒劑濃度、管材類型以及表面粗糙程度對細(xì)菌附著行為的影響,并借助于基于表面熱力學(xué)的XDLVO理論解析細(xì)菌與粗糙表面的交互作用過程.研究結(jié)果將有助于解析飲用水中消毒劑-微生物-管材間交互作用,進(jìn)而為控制飲用水系統(tǒng)中細(xì)菌生長和生物膜的形成提供理論參考和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

為了探究管材對細(xì)菌附著的影響,選擇了飲用水系統(tǒng)中常見的三種管材:聚氯乙烯(polyvinyl chloride)、聚乙烯(polyethylene)和不銹鋼(stainless steel)管.每種載片材料被加工成兩種粗糙度類型,分別標(biāo)記為Ⅰ級和Ⅱ級.每個載片切割成棱臺形,頂部為20mm′4.5mm,底部為20mm′6.5mm,厚度為2mm.以50kHz的頻率進(jìn)行超聲處理(KQ5200DE,舒美,昆山)30min,以去除試樣上的剩余碎屑,然后用超純水沖洗兩次,自然干燥,以便進(jìn)一步分析.

實(shí)驗(yàn)水樣來自合肥工業(yè)大學(xué)土木樓飲用水,打開水龍頭流淌5min后,取水樣5L.在室溫下靜置24h以除去水中余氯,實(shí)驗(yàn)前使用余氯儀(SYL-1,昕瑞,上海)進(jìn)行測定,以保證水樣中無余氯殘留.用無菌去離子水將次氯酸鈉(AR,6-14%,麥克林,上海)配制成不同濃度的氯溶液.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用三組平行的燒杯作為反應(yīng)器,其有效容積為500mL.所有器材在實(shí)驗(yàn)開始之前經(jīng)過121°C高壓蒸汽滅菌15min以及紫外線(20W)照射30min.為了分析管道材料和消毒劑對細(xì)菌附著行為的影響機(jī)制,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置三種不同的氯濃度,分別為0.0,0.5和1.0mg/L.在燒杯(500mL)底部放置6個載片,分別標(biāo)記為PVC-Ⅰ,PVC-Ⅱ,PE-Ⅰ,PE-Ⅱ, STS-Ⅰ,STS-Ⅱ.在實(shí)驗(yàn)開始時,加入500mL水樣,并加入配置好的次氯酸鈉溶液,氯濃度分別為0,0.5, 1.0mg/L(自由氯).將反應(yīng)器靜置于室溫下,經(jīng)過1d的培養(yǎng),收集帶有生物膜樣本進(jìn)行分析.每次實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次,以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

1.3 分析方法

1.3.1 載片粗糙度測定 使用三維激光測量顯微鏡(VK-X250,基恩士,日本)在適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)下獲得了試樣表面的真實(shí)地形[16].用軟件處理成像.為了表征試樣表面的形貌,計算其表面粗糙度(S):

式中:為載片視野下的面積;(,)為載片視野下的高度函數(shù).

根據(jù)分析軟件處理,本文I級粗糙度代表較為光滑的表面,三種管材的粗糙度較為接近,其具體值分別為1.680mm(PVC-Ⅰ)、1.554mm(PE-Ⅰ)和1.152mm(STS-Ⅰ).II級為較為粗糙的表面,三種管材的粗糙度分別為12.063mm(PVC-Ⅱ)、18.541mm (PE-Ⅱ)、4.703mm(STS-Ⅱ).

1.3.2 生物膜提取 用滅菌的生理鹽水輕柔地沖洗試樣,以去除未附著細(xì)菌.用無菌的棉簽擦除表面的附著細(xì)胞,將其放入含有5mL無菌生理鹽水的試管中.通過超聲處理,將附著細(xì)胞重新懸浮在溶液中.

為了測量細(xì)胞密度,用Live/Dead BacLight細(xì)菌活性試劑盒(L-7012,Invitrogen)對生物膜樣品進(jìn)行熒光染色,該試劑盒由Syto 9和碘化丙啶(PI)組成,用于活細(xì)胞和死細(xì)胞染色.將生物膜樣品的細(xì)胞懸浮液稀釋一定倍數(shù)(DM)取2.0mL裝入離心管,然后在室溫下黑暗中染色30min.之后,通過0.2mm黑色聚碳酸酯膜(直徑=25mm)[17](Whatman, Nuclepore, Clifton, NJ)過濾染色樣品.最后,使用倒置熒光顯微鏡(IX73,奧林巴斯,日本)以200倍(視野大小a′b= 0.7mm′0.5mm)的放大率觀察過濾后的樣品.統(tǒng)計10個視野中細(xì)菌個數(shù)取平均值(),根據(jù)視野中的數(shù)量計算載片表面附著細(xì)菌(cells/cm2),載片表面積(cm2)[18].

1.3.3 細(xì)菌和載片物理特性的測定 使用Zeta電位儀(Nano-ZS90,馬爾文,英國)在25℃下測量散裝水中懸浮細(xì)菌的Zeta電位和細(xì)菌流體動力學(xué)直徑[19].同時,被粉碎的塑料(金屬)經(jīng)干燥和冷凍后測量的zeta電位被用來代表塑料(金屬)載片的zeta電位[20].

根據(jù)Busscher等(1984)的做法,制作了測量細(xì)菌接觸角的細(xì)菌基質(zhì).用0.45mm的醋酸纖維素膜過濾細(xì)菌細(xì)胞,最終濃度約為108個cells/mm2,然后將其放在半固體瓊脂板上以保持活力.通過無柄滴技術(shù),使用接觸角儀(SCA20, Dataphysics,德國)在25℃下測量制備的載片和細(xì)菌基質(zhì)的接觸角.三種探針溶液(即去離子水、甘油和二碘甲烷)[21]作為潤濕劑被應(yīng)用.在測量過程中,每一種探針溶液都被緩慢地滴在一個給定的表面上,拍攝液滴的形狀,并用SCA20 軟件進(jìn)行分析.

1.3.4 XDLVO相互作用能計算 首先,根據(jù)擴(kuò)展的楊氏方程,細(xì)菌細(xì)胞和載片的表面張力參數(shù)和成分由測量的接觸角確定,使用以下公式[22]:

式中:是接觸角,tot,lw,1-,+ l分別是液體表面張力參數(shù),表面張力非極性的參數(shù),電子供體和電子受體參數(shù).代表3種探針液體,包括水、甘油和二碘甲烷lw,,+ C和lw,,+ B是載片和細(xì)菌細(xì)胞的表面張力參數(shù)成分.

為了確定調(diào)節(jié)細(xì)胞與表面相互作用的載片表面物理化學(xué)特性對生物膜形成的影響,根據(jù)XDLVO理論計算細(xì)菌與粗糙表面之間的相互作用能.載片表面和細(xì)菌細(xì)胞之間的總XDLVO相互作用能量()被認(rèn)為是利弗席茲-范德華項(Liftshitz-van der Waals interaction,lw,以下簡稱LW項)、靜電作用項(Electrostatic interaction,el,以下簡稱EL項)、路易斯酸堿作用項(Lewis acid-base interaction,ab,以下簡稱AB項)之和,其是細(xì)胞-表面分離距離(H)的函數(shù)[22],可以描述如下.

式中:是介電常數(shù)(7.1′1010C/(V×m));和分別是載片zeta表面電位和細(xì)菌表面zeta電位;是體系擴(kuò)散雙電層厚度的倒數(shù),由以下式(7)計算:

式中:是電子電能;是玻爾茲曼常數(shù);是絕對溫度;n是離子在本體溶液中的數(shù)量濃度,z是離子的價態(tài).

為了說明潛在的氫鍵,在XDLVO理論中加入了短程酸堿相互作用.

式中:是AB相互作用在水中的特征衰減長度(0.6nm),DGAB y是酸堿相互作用能,由式(9)計算出來:

式中:+ W和是探針液體水的電子供體和電子受體的參數(shù).

1.3.5 冗余分析 冗余分析(redundancy analysis, RDA)是一種回歸分析結(jié)合主成分分析的排序方法,也是多響應(yīng)變量回歸分析的拓展.RDA分析是用來展現(xiàn)解釋變量與響應(yīng)變量之間關(guān)系,將粗糙度、消毒劑、AB項、EL項、LW項作為解釋變量,生物量和XDLVO相互作用能作為響應(yīng)變量,以上冗余分析在Canoco 5軟件中完成.

2 結(jié)果

2.1 消毒劑對細(xì)菌在管材粗糙表面上附著行為的影響

由圖1可見,投加消毒劑明顯促進(jìn)了細(xì)菌在管材表面的附著.當(dāng)未投加消毒劑時,STS-Ⅰ表面附著細(xì)菌量為0.39′106cells/cm2;投加0.5mg/L和1.0mg/L氯時,其附著生物量分別上升至1.11′106、2.11′106cells/cm2(圖1A).類似地,相較于未投加氯的條件,1.0mg/L氯導(dǎo)致PVC和PE上附著細(xì)菌數(shù)分別增加了4.28和5.66倍,這說明消毒劑的存在促進(jìn)了細(xì)菌的附著行為.不難發(fā)現(xiàn),無論消毒劑是否存在,PVC和PE上附著的生物量均大于STS,但在有氯的條件下,這一趨勢更為顯著.如在0.5mg/L氯,PVC、PE和STS上附著的生物量分別為2.08′106、1.66′106、1.11′106cells/cm2,這表明消毒劑的投加使得細(xì)菌更傾向于在塑料表面上的附著.不僅如此,氯的投加也顯著提高塑料管材上附著細(xì)菌的存活率(圖 1B).如在1.0mg/L氯時,PVC和PE上的存活率為83.7%和87.5%,而STS上僅為69.4%.

圖1 不同消毒劑濃度下載片表面生物量和存活率的變化

(A)附著細(xì)菌量,(B)附著細(xì)菌的存活率

圖2 不同消毒劑和表面粗糙度下載片表面生物量的增長倍數(shù)

相對于0.0mg/L下管材I級表面

除了材料類型,管材表面的物理特征也是影響細(xì)菌附著行為的重要因素[16-23].為探究管材表面粗糙程度對細(xì)菌附著行為的影響以及消毒劑在其中的作用,測定了在不同氯濃度下不同粗糙程度、不同管材類型上細(xì)菌的附著情況.增大管材表面的粗糙度顯著促進(jìn)細(xì)菌的附著行為(圖2).具體地說,當(dāng)沒有氯存在時,增大PE管材的粗糙度,使得PE-II表面附著生物量增大1.52倍.類似地,PVC-II、STS-II表面上的生物量分別增大1.45和1.41倍.投加氯(1.0mg/L)使得PE-I和PE-II管材表面附著細(xì)菌量分別增大5.66和6.94倍.另外,PVC、STS管材表面細(xì)菌變化也呈現(xiàn)了類似的規(guī)律.1.0mg/L氯進(jìn)一步促進(jìn)了細(xì)菌的附著,且粗糙表面的附著量明顯高于較光滑表面.如在1.0mg/L氯條件下,PE-Ⅰ和PE-Ⅱ上的附著細(xì)菌量分別為2.65′106、3.25′106cells/cm2,相較于未投加消毒劑時增長了5.66和4.62倍.這進(jìn)一步說明消毒劑有助于細(xì)菌的表面附著,且隨著管材粗糙度的增大,其促進(jìn)作用更為顯著.

2.2 消毒劑對細(xì)菌與管材粗糙表面間交互作用的影響

為進(jìn)一步解析消毒劑如何介導(dǎo)細(xì)菌與粗糙表面的交互作用進(jìn)而干預(yù)細(xì)菌的附著聚集過程,本文基于XDLVO理論計算了不同條件下細(xì)菌與管材表面間的相互作用能,結(jié)果如圖3所示.氯的投加(1.0mg/L)導(dǎo)致細(xì)菌與聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)管材間的相互作用能發(fā)生了顯著的變化,相較于無氯條件下其相互吸引作用能分別增大5.8倍和4.5倍(0.158nm).具體地說,沒有氯存在時,細(xì)菌與PE-Ⅰ表面間的相互作用能為-3370.1kT,而投加氯導(dǎo)致其相互作用能增大至-19426.0kT(擴(kuò)大5.8倍).此外,增大管材表面粗糙程度也增大了細(xì)菌與管材表面間吸引的相互作用能和降低了細(xì)菌與管材表面間的勢壘.如在1.0mg/L氯條件下,PE-Ⅰ和PE-Ⅱ表面與細(xì)菌之間的相互作用能分別是-19426.0kT和-24930.1kT(0.158nm),且細(xì)菌與管材表面間的勢壘從1.6kT下降到-2.6kT,與圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.這說明消毒劑的投加和增大管材粗糙程度均有助于提升細(xì)菌與管材表面的相互作用能,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌在粗糙表面上的附著.沒有氯投加時STS管材表面和細(xì)菌的XDLVO的相互作用能是大于零的(排斥),而1.0mg/L氯條件下,STS管材表面與細(xì)菌的相互作用能為吸引,如STS-Ⅰ表面從169.7kT變化為-11514.5kT(0.158nm).不難發(fā)現(xiàn),無論在有無氯條件下,STS管材表面與細(xì)菌之間相互吸引作用能是小于PVC和PE管材表面與細(xì)菌之間的作用能,這與細(xì)菌更傾向于在塑料管材表面定殖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致(圖1).

為了識別管材表面與細(xì)菌交互作用過程中的主導(dǎo)作用力,圖4展示了不同氯濃度和粗糙表面下PE與細(xì)菌的各項作用能的變化.未投加氯時AB項隨著粗糙度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢,從-3200.1kT降低至-5122.7kT(0.158nm).1.0mg/L氯加入后導(dǎo)致AB項從-18945.2kT下降到-24027.2kT(0.158nm),是無氯條件下的5.92和4.60倍.類似地,LW項也隨著粗糙度的增加呈現(xiàn)略微減小的趨勢,從-155.1kT降到-321.9kT(0.158nm).氯的加入導(dǎo)致其從-392.6kT降到-814.9kT(0.158nm),分別增大2.53和2.53倍.增大表面粗糙度并沒有改變EL作用項,這是由于EL項是基于1mmol/L NaCl條件下計算出來的.然而,氯的投加導(dǎo)致EL項作用能增大5.95倍(0.158nm).

2.3 細(xì)菌在管材粗糙表面附著行為的關(guān)鍵驅(qū)動因子分析

為進(jìn)一步明確細(xì)菌與管材表面相互作用力和附著行為的關(guān)鍵驅(qū)動因子,通過冗余分析(RDA)剖析影響因素與相互作用能和細(xì)菌附著量之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),其中表面粗糙度、消毒劑濃度和關(guān)聯(lián)AB、LW和EL作為解釋參數(shù).圖 5A描述了近距離(1nm)處解釋變量與總相互作用能和附著生物量之間的關(guān)系,其中RDA1和RDA2分別解釋了總變化的93.54%和6.31%.第一軸主要是由AB項(AB)和氯定義,且這兩個參數(shù)可以解釋響應(yīng)變量88.1%和9.6%的解釋率.其中AB和LW項(LW)與總相互作用能(T)呈正相關(guān),且AB項的重要程度明顯大于LW項,而EL項(EL)與總相互作用能呈負(fù)相關(guān).這表明近管材表面處,AB項在細(xì)菌與管材表面相互作用過程中占主導(dǎo)地位.如圖5B所示,在15nm處,第一軸和第二軸解釋了總變化的58.86%和40.14%,且細(xì)菌與管材表面的相互作用是由EL項和LW項驅(qū)動,與EL項呈正相關(guān).值得注意的是,氯是細(xì)菌附著的主要驅(qū)動因子且與附著生物量呈正相關(guān).

圖3 不同消毒劑和粗糙表面下細(xì)菌與載片表面間XDLVO作用能

圖4 不同消毒劑、粗糙表面下細(xì)菌與PE載片的各相互作用能

圖5 冗余分析排序圖顯示了解釋變量與總相互作用能和附著生物量之間的關(guān)系

3 機(jī)理討論

飲用水中細(xì)菌處于惡劣的、動態(tài)變化的生態(tài)環(huán)境,通常傾向于附著聚集生長形成群體,以威脅飲用水水質(zhì)安全.研究結(jié)果表明,氯的投加(￡1.0mg/L)顯著促進(jìn)細(xì)菌在管材表面的附著行為.基于XDLVO理論解析表明,投加消毒劑提高了細(xì)菌與管材表面間的酸堿作用和范德華作用力,降低了細(xì)菌與塑料管材表面的作用勢壘,增大了相互吸引作用能(擴(kuò)大4～6倍),促進(jìn)了細(xì)菌的表面附著.通過測定水體中細(xì)菌大小和zeta電位發(fā)現(xiàn),1.0mg/L氯導(dǎo)致菌體從405.8nm(0.0mg/ L)增加到1095nm,而zeta電位從-12.7mV(0mg/L氯)下降-20.9mV,說明氯的投加顯著促進(jìn)了細(xì)菌在水體中的聚集,從而有利于生物膜的形成.不僅如此,細(xì)菌與粗糙表面的交互作用中的范德華、酸堿作用和靜電排斥項均與菌體尺寸呈正比例關(guān)系,這表明氯的加入改變細(xì)菌的大小和電荷等特征,有助于增強(qiáng)細(xì)菌與粗糙表面的交互作用和細(xì)菌的附著行為.有研究表明,投加消毒劑會誘導(dǎo)細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)的改變[5],相應(yīng)地改變細(xì)菌體表面特征以及細(xì)菌與管材表面間的范德華、酸堿作用和靜電排斥相互作用項.此外,細(xì)菌也會通過改變自身的生理行為以應(yīng)對外部環(huán)境的脅迫.Liu等[6-7]發(fā)現(xiàn)在低劑量的氯(0～1.0mg/L)中會促進(jìn)細(xì)菌的運(yùn)動和胞外聚合物的生成.胞外聚合物可通過改變載體和細(xì)菌表面的潤濕性以及粘附強(qiáng)度,進(jìn)而有助于細(xì)菌的附著聚集[18-24].

增大管材表面粗糙度進(jìn)一步強(qiáng)化了消毒劑的促進(jìn)效果.分析結(jié)果表明,增大管材表面粗糙程度強(qiáng)化了細(xì)菌與塑料管材間的酸堿作用能和范德華作用能,降低了能量勢壘,進(jìn)而有利于細(xì)菌的表面附著.此外,提高表面粗糙度增大了管材表面積,也改變其表面輪廓[25],提供給細(xì)菌更多的吸附位點(diǎn)以抵抗消毒劑滅活的影響[26].類似地,Ammar等[14]研究發(fā)現(xiàn),增大粗糙表面凸起面積減少了細(xì)菌細(xì)胞和基質(zhì)之間的能量屏障,促進(jìn)了細(xì)菌的粘附行為.相較于不銹鋼管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材強(qiáng)化了其與細(xì)菌表面吸引的交互作用能,有助于細(xì)菌的表面附著聚集.通過接觸角分析顯示,具有相同粗糙度的STS-Ⅰ、PE-Ⅰ和PVC-Ⅰ管材表面的接觸角分別為77.4°(親水)、92.6°(疏水)、104.4°(疏水),而疏水性材料具有較大的接觸角和表面能,加強(qiáng)了細(xì)菌與管材表面的相互作用[19-27].此外,細(xì)菌與載體表面潤濕性的差異程度也是干預(yù)其交互作用過程的驅(qū)動因素,接觸角差異越大,越有利于細(xì)菌的附著行為[28].實(shí)驗(yàn)分析顯示,在0.0mg/L和1.0mg/L氯條件下,飲用水細(xì)菌的接觸角分別為35.4°(0.0mg/L)和56.6°(1.0mg/L).相比較于STS管材,PVC和PE管材與細(xì)菌的接觸角差異更大,更有利于細(xì)菌的表面附著.值得注意的是,消毒劑的投加(1.0mg/L)使得細(xì)菌更傾向于附著聚集于塑料管材表面.究其原因,可能是不同管材類型通過改變氯的衰減過程干預(yù)其表面的細(xì)菌附著聚集過程[29].

4 結(jié)論

4.1 投加消毒劑(0.5mg/L和1.0mg/L氯)促進(jìn)了細(xì)菌在管材表面的附著行為(相較于未投加時增大4～6倍),且細(xì)菌更傾向附著于塑料管材(PVC和PE);增大管材粗糙度進(jìn)一步促進(jìn)其附著行為.

4.2 投加消毒劑提高了細(xì)菌與塑料管材表面間的酸堿作用能和范德華作用能,降低了細(xì)菌與塑料管材表面的作用勢壘,增大了相互吸引作用能(擴(kuò)大4～6倍);增大管材表面粗糙程度進(jìn)一步強(qiáng)化了這一交互過程,促進(jìn)了細(xì)菌的表面附著.

4.3 相較于不銹鋼管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材促進(jìn)了其與細(xì)菌表面的交互吸引作用能,特別在1.0mg/L氯條件下管材與細(xì)菌的相互作用能增加了4～6倍,進(jìn)而有助于細(xì)菌的表面附著聚集.

4.4 冗余分析結(jié)果表明,消毒劑和酸堿作用項是細(xì)菌附著行為的主要驅(qū)動因子.

[1] Wingerder J and Flemming H-C. Contamination potential of drinking water distribution network biofilms [J]. Water Science and Technology 2004,49:277–286.

[2] Aggarwal S, Gomez-Smith C K, Jeon Y, et al. Effects of chloramine and coupon material on biofilm abundance and community composition in bench-scale simulated water distribution systems and comparison with full-scale water mains [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(22):13077-13088.

[3] Shen Y, Huang C H, Monroy G L, et al. Response of simulated drinking water biofilm mechanical and structural properties to long-term disinfectant exposure [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(4):1779-1787.

[4] van der Kooij D, van der Wielen P W J J. Microbial growth in drinking-water supplies: problems, causes, control and research needs [M]. IWA Publishing, 2013.

[5] Zhang X Y, Lin T, Jiang F C, et al. Impact of pipe material and chlorination on the biofilm structure and microbial communities [J]. Chemosphere, 2022,289:133218.

[6] Liu L, Le Y, Jin J L, et al. Chlorine stress mediates microbial surface attachment in drinking water systems [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2015,99(6):2861-2869.

[7] Liu L, Hu Q Y, Le Y, et al. Chlorination-mediated EPS excretion shapes early-stage biofilm formation in drinking water systems [J]. Process Biochemistry, 2017,55:41-48.

[8] Goraj W, Pytlak A, Kowalska B, et al. Influence of pipe material on biofilm microbial communities found in drinking water supply system [J]. Environmental Research, 2021,196:110433.

[9] Jiang H J, Choi Y J, Ka J O. Effects of diverse water pipe materials on bacterial communities and water quality in the annular reactor [J]. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2011,21(2):115-123.

[10] Li W Y, Tan Q W, Zhou W, et al. Impact of substrate material and chlorine/chloramine on the composition and function of a young biofilm microbial community as revealed by high-throughput 16S rRNA sequencing [J]. Chemosphere, 2020,242:125310.

[11] Ahmad M, Liu S, Mahmood N, et al. Effects of porous carrier size on biofilm development, microbial distribution and nitrogen removal in microaerobic bioreactors [J]. Bioresource Technology, 2017,234:360- 369.

[12] Kimkes T E P, Heinemann M. How bacteria recognise and respond to surface contact [J]. FEMS Microbiology Reviews, 2020,44(1):106- 122.

[13] Renner L D, Weibel D B. Physicochemical regulation of biofilm formation [J]. Mrs Bulletin, 2011,36(5):347-355.

[14] Ammar Y, Swailes D, Bridgens B, et al. Influence of surface roughness on the initial formation of biofilm [J]. Surface & Coatings Technology, 2015,284:410-416.

[15] Yuan Y, Hays M P, Hardwidge P R, et al. Surface characteristics influencing bacterial adhesion to polymeric substrates [J]. RSC Advances, 2017,7(23):14254-14261.

[16] De-la-Pinta I, Cobos M, Ibarretxe J, et al. Effect of biomaterials hydrophobicity and roughness on biofilm development [J]. Journal of Materials Science-Materials in Medicine, 2019,30(7):11.

[17] Boulos L, Prevost M, Barbeau B, et al. LIVE/DEAD BacLight: Application of a new rapid staining method for direct enumeration of viable and total bacteria in drinking water [J]. Journal of Microbiological Methods, 1999,37(1):77-86.

[18] Du B, Wang S D, Chen G W, et al. Nutrient starvation intensifies chlorine disinfection-stressed biofilm formation [J]. Chemosphere, 2022,295:133827.

[19] Ou Q, Xu Y, Li X, et al. Interactions between activated sludge extracellular polymeric substances and model carrier surfaces in WWTPs: A combination of QCM-D, AFM and XDLVO prediction [J]. Chemosphere, 2020,253:126720.

[20] Cai L, Wu D, Xia J H, et al. Influence of physicochemical surface properties on the adhesion of bacteria onto four types of plastics [J]. Science of the Total Environment, 2019,671:1101-1107.

[21] 黃翔峰,林蘭娜,彭開銘.表面自由能在環(huán)境微生物粘附研究中的應(yīng)用進(jìn)展 [J]. 微生物學(xué)通報, 2016,43(7):1590-1597. HUANG X F, Lin L N, PENG K M. Progress on the application of surface free energy to the adhesion of environmental microorganisms. Microbiology China, 2016,43(7):1590–1597.

[22] Brant J A, Childress A E. Assessing short-range membrane–colloid interactions using surface energetics [J]. Journal of Membrane Science, 2002,203(1):257-273.

[23] Liu G, Verberk J, Van Dijk J C. Bacteriology of drinking water distribution systems: an integral and multidimensional review [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013,97(21):9265-9276.

[24] Talluri S N L, Winter R M, Salem D R. Conditioning film formation and its influence on the initial adhesion and biofilm formation by a cyanobacterium on photobioreactor materials [J]. Biofouling, 2020, 36(2):1-17.

[25] Anselme K, Davidson P, Popa A M, et al. The interaction of cells and bacteria with surfaces structured at the nanometre scale [J]. Acta Biomaterialia, 2010,6(10):3824-3846.

[26] Shen Y, Monroy G L, Derlon N, et al. Role of biofilm roughness and hydrodynamic conditions inadhesion to and detachment from simulated drinking water biofilms [J]. Environmental Science & Technology, 2015,49(7):4274-4282.

[27] Ji C C, Zhou H, Deng S K, et al. Insight into the adhesion propensities of extracellular polymeric substances (EPS) on the abiotic surface using XDLVO theory [J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021,9(6):106563.

[28] Al-Amshawee S, Yunus M Y B, Lynam J G, et al. Roughness and wettability of biofilm carriers: A systematic review [J]. Environmental Technology & Innovation, 2021,21:15.

[29] 張心悅,周克梅,劉 煜,等.供水管材對管壁生物膜特性和水質(zhì)穩(wěn)定性的影響 [J]. 中國給水排水, 2022,38(9):44-51. Zhang X Y, Zhou K M, Liu Y, et al. Effect of water supply pipe material on biofilm characteristics and water quality stability [J]. China water & wastewater, 2022,38(9):44–51.

Effect of chlorine on cell-surface interaction and bacterial adhesion behavior.

CAI Yin-nuo, LIU Li*, CHEN Guo-wei, ZHONG Shu-ying

(Department of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)., 2023,43(10)：5188～5195

In this study, disinfectant-shaped bacterial adhesion behaviors on pipes with various materials and roughness were examined to underpin the underlying mechanisms of bacterial surface attachment in drinking water. The interaction between bacteria and rough surfaces was analyzed via XDLVO (extended-Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) theory based on surface thermodynamics. The results showed that chlorine (￡1.0mg/L) significantly promoted bacterial adhesion on pipe surfaces (with a 4～6times increment compared to the situation with no chlorine). Besides, bacterial cells tended to colonize the plastic surfaces and increasing surface roughness can further promote surface adhesion. The XDLVO-based theoretical analysis showed that 1.0mg/L chlorine increases the acid-base and van der Waals interaction terms between bacteria and pipe surfaces, which encourages surface adhesion behaviors. Increasing surface roughness further intensifies cell-surface interactions. Compared with stainless steel pipes, polyvinyl chloride and polyethylene surfaces can elevate the interaction energy with bacterial cells, particularly at 1.0mg/L chlorine, which further contributes to bacterial surface attachment and aggregation.

drinking water；disinfectant；water supply pipe material；surface roughness；XDLVO theory

X703

A

1000-6923(2023)10-5188-08

2023-03-02

安徽省自然科學(xué)基金資助項目(2208085US13)

* 責(zé)任作者, 教授, lliu@hfut.edu.cn

蔡寅諾(1998-),男,安徽淮南人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究為飲用水細(xì)菌與管材粗糙表面交互作用.2258340456@qq.com.

蔡寅諾,劉 麗,陳國煒,等.氯對細(xì)菌與管材間交互作用及附著行為的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5188-5195.

CAI Yin-nuo, LIU Li, CHEN Guo-wei, et al. Effect of chlorine on cell-surface interaction and bacterial adhesion behavior [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5188-5195.