凈水工藝單元中微生物多樣性的研究進(jìn)展

劉 威,郭新明,李月興,孫義敏,王 松,王菁華

(黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)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(fā)現(xiàn),經(jīng)過嚴(yán)格的消毒處理后,飲用水呈現(xiàn)貧營養(yǎng)、消毒劑余量等狀態(tài),但水中的微生物依然可能存在[2-3]。近年來,隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,人們對飲用水中的微生物安全風(fēng)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(shù)結(jié)果顯示,10份本地生產(chǎn)的礦泉水中超標(biāo)1份,菌落總數(shù)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(jìn)行真菌菌群結(jié)構(gòu)調(diào)查研究,結(jié)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(yōu)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(chǎn)生的代謝產(chǎn)物會相對穩(wěn)定的釋放,影響飲用水品質(zhì)及人體健康[6],故在飲用水微生物安全及控制技術(shù)研究過程中掌握微生物群落多樣性與時空分布變化規(guī)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(shù)及微生物群落結(jié)構(gòu)在凈水工藝單元中的動態(tài)變化研究進(jìn)展,以期為致病微生物防治提供一定的理論基礎(chǔ)。

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(guī)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(xué)物質(zhì)、大的雜質(zhì)及微生物,極大保障飲用水的品質(zhì)。但微生物的去除機(jī)制較為復(fù)雜,與原水水質(zhì)情況、環(huán)境指數(shù)及水處理方式等關(guān)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(chǎn)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(qiáng)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(tài)下的微生物[9-10]。Feridun Demir等[11]認(rèn)為,臭氧對微生物種群的去除率高達(dá)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(chǎn)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(shù)在水處理工藝中的廣泛應(yīng)用。在實際生產(chǎn)中臭氧使用濃度較低,對有機(jī)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(jī)物可促進(jìn)生物活性炭附著微生物群落的更新,增強(qiáng)其生長活性。但飲用水的品質(zhì)可能會受到臭氧消毒副產(chǎn)物及強(qiáng)致突變物質(zhì)的影響,進(jìn)而增加水質(zhì)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(jīng)炭化及活化過程制備而成[17]。當(dāng)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(zhì)[18]。常規(guī)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(rèn)為,在飲用水的生產(chǎn)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(yùn)行一段時間后,為了提高水中微污染有機(jī)物的降解效率,需對炭濾池進(jìn)行反沖洗以恢復(fù)其生物活性,但在進(jìn)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(dǎo)致飲用水的品質(zhì)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(guān)鍵保障[24]。不同消毒技術(shù)對微生物種株、生長狀態(tài)及群落存在狀態(tài)的消殺能力不同[25];微生物對氯、臭氧及紫外線在不同環(huán)境條件下抗性不同,甚至?xí)a(chǎn)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(yīng)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(wǎng)中微生物的附著繁殖[27]。Baker K等[28]發(fā)現(xiàn),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(dǎo)成VBNC態(tài)的微生物。如果在生物活性炭濾池存留具有較強(qiáng)抗氯性的微生物(如軍團(tuán)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(lián)合消毒技術(shù)成為了主流的研究方向[29]。

微濾與超濾技術(shù)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(shù)消毒手段,可避免產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。但膜法飲用水處理技術(shù)因其成本高、劣化、膜污染、化學(xué)及生物降解等問題導(dǎo)致應(yīng)用受限[30-33]。

2 微生物檢測技術(shù)在凈水工藝單元中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)微生物學(xué)方法研究現(xiàn)狀

顯微鏡觀察、純種分離純化培養(yǎng)及生理生化反應(yīng)等屬于傳統(tǒng)微生物研究方法。John等[34]通過分離培養(yǎng)水體中的細(xì)菌發(fā)現(xiàn),出廠水中比未經(jīng)處理的原水中的多重耐藥(MDR)細(xì)菌更為常見。傳統(tǒng)微生物學(xué)方法發(fā)揮了重要的作用,但水體中含有大部分不可培養(yǎng)的微生物[35],傳統(tǒng)培養(yǎng)基具選擇作用,造成培養(yǎng)結(jié)果與水體中實際微生物多樣性特征等信息偏差甚遠(yuǎn)[36]。

2.2 分子生物學(xué)技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代,越來越多的分子生物學(xué)技術(shù)被大量引入。相比于傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)手段,現(xiàn)代分子生物學(xué)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(jìn)化關(guān)系及其相關(guān)生態(tài)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(tǒng)中的微生物群落多樣性。Moll等[37]發(fā)現(xiàn),濾池內(nèi)細(xì)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(zhǔn)確定量的優(yōu)點,能有效揭示環(huán)境微生物群落的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)庫中的已知序列進(jìn)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(jié)構(gòu)。該方法在飲用水給水系統(tǒng)微生物的測定中得到了廣泛應(yīng)用。Li等[38]利用上述技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),BAC系統(tǒng)中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn),活性炭表層生物膜中具有豐富的細(xì)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(huán)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(rèn)可,但因其分析克隆數(shù)目需求大、耗時長、費用高,不利于持續(xù)對研究對象的種群結(jié)構(gòu)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(shù)在給水系統(tǒng)中主要用于分析處理系統(tǒng)及配水系統(tǒng)中真菌、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)在不同采樣點的微生物群落組成不同,大多數(shù)細(xì)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(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性,得出同一種水樣的微生物群落結(jié)構(gòu)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(xué)水質(zhì)[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(shù)(high-throughput sequencing)分析群落多樣性

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)克服了傳統(tǒng)微生物學(xué)培養(yǎng)方法獲取微生物信息的局限性,但相比于快速發(fā)展的高通量測序技術(shù),對大部分微生物在環(huán)境中的發(fā)掘還不夠全面。目前,454焦磷酸測序(Pyrosequencing)技術(shù)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(shù)

基于454焦磷酸測序技術(shù)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(yōu)勢菌,但變形菌門主要組分比例會受到活性炭濾池進(jìn)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(shù)對一個帶微濾裝置的中試水廠進(jìn)行微生物群落研究發(fā)現(xiàn),原水中含有比例高達(dá)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(tuán)菌、色素細(xì)菌及氣單胞菌屬等。Huirong Lin等[50]分別對傳統(tǒng)水處理及臭氧-活性炭深度處理系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)出水中的細(xì)菌多樣性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,兩系統(tǒng)中的細(xì)菌群落多樣性高度相似,β變形菌綱為優(yōu)勢菌,兩個水處理工藝對水體中的微生物群落組成及水質(zhì)影響較大。

2.3.2 Illumina測序技術(shù)

與上述測序技術(shù)相比,Illumina測序具有易操作、通量高、低成本、結(jié)果準(zhǔn)確度高及靈敏更高等突出優(yōu)勢,因此454焦磷酸測序技術(shù)被逐漸取代。目前Illumina測序?qū)︼嬘盟到y(tǒng)環(huán)境樣本進(jìn)行測序是其在飲用水系統(tǒng)中的應(yīng)用主要方向,能夠分析群落時空變化,尋找引起水質(zhì)變化的可能根源,并結(jié)合變化的環(huán)境因子,為防控水處理中微生物安全問題提供理論依據(jù)。

基于Illumina測序技術(shù)的研究表明,微生物群落的結(jié)構(gòu)在絮凝沉淀及預(yù)氧化處理過程中幾乎沒有影響,而對微生物群落結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)現(xiàn),細(xì)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(tǒng)中的優(yōu)勢菌門,水處理方式能改變傳輸過程中生物膜上的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。Zilong Mi等[54]研究表明,飲用水系統(tǒng)中生物膜的微生物多樣性與群落結(jié)構(gòu)會受到消毒劑種類及劑量的影響,經(jīng)氯胺與氯處理后的生物膜上優(yōu)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(xì)菌群落的影響更大。

3 結(jié)束語

飲用水生產(chǎn)過程中的凈水工藝單元能夠去除大的雜質(zhì)、部分化學(xué)物質(zhì)及微生物,極大地保障飲用水安全,其中常規(guī)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(jié)及環(huán)境因子的變化,凈水工藝出水中微生物菌群多樣性呈現(xiàn)動態(tài)變化,致病微生物亦常被檢出,飲用水安全受到潛在威脅。運(yùn)用先進(jìn)的微生物檢測技術(shù)、掌握供水系統(tǒng)中微生物群落組成的遷移變化規(guī)律,可為供水系統(tǒng)中致病微生物的風(fēng)險控制及優(yōu)化防控提供理論基礎(chǔ)。未來,需長期監(jiān)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。