飲用水處理工藝中VBNC 狀態(tài)細(xì)菌研究現(xiàn)狀

蘭 童,雍紹文,王金山,羅曉峰,錢 江,劉 成,*,陳 衛(wèi)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;3.寧夏水投銀川水務(wù)有限公司,寧夏銀川 750201)

1982 年,Xu 等[1]首次發(fā)現(xiàn)并提出了細(xì)菌的“活的非可培養(yǎng)” 狀態(tài)(viable but non-culturable,VBNC),明確了其基本概念:細(xì)菌在不良外界環(huán)境中,無法在常規(guī)固體培養(yǎng)基上生長繁殖形成菌落,但仍然具有代謝活性的一種特殊休眠狀態(tài),在合適條件下可以復(fù)蘇并恢復(fù)可培養(yǎng)性[2]。

VBNC 狀態(tài)的存在影響了基于細(xì)胞可培養(yǎng)性的傳統(tǒng)檢測方法的準(zhǔn)確性,易導(dǎo)致微生物泄漏問題。包秋華等[3]通過研究1994 年—2021 年Web of Science 數(shù)據(jù)庫中836 篇關(guān)于VBNC 的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)菌VBNC 研究方向主要集中在微生物學(xué)、傳染病學(xué)、生物化學(xué)分子生物學(xué)等領(lǐng)域,高頻關(guān)鍵詞也反映了目前的研究熱點(diǎn)包括檢測手段、誘導(dǎo)條件、形成機(jī)制等方面,具體如圖1 所示。 目前對于飲用水過程中細(xì)菌的VBNC 狀態(tài)研究相對較少,部分研究結(jié)果表明一些致病菌能夠在飲用水處理過程中呈現(xiàn)VBNC狀態(tài),并在輸配水環(huán)節(jié)復(fù)蘇,恢復(fù)致病性,威脅飲用水安全。 然而人們對該轉(zhuǎn)變過程的影響因素和作用機(jī)制尚不明確。

圖1 VBNC 細(xì)菌研究方向和高頻關(guān)鍵詞[3]Fig.1 Research Directions and High Frequency Keywords of VBNC Bacterial[3]

因此,本文從VBNC 狀態(tài)水源性致病菌種類、生物學(xué)特性變化、檢測技術(shù)的發(fā)展以及誘導(dǎo)因素對目前細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的研究進(jìn)行論述,并結(jié)合飲用水處理過程中的工藝環(huán)節(jié)和水質(zhì)條件,分析細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的形成和復(fù)蘇機(jī)制,重點(diǎn)探討了臭氧-生物活性炭(O3-BAC)單元對細(xì)菌實(shí)現(xiàn)VBNC 狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響。 論文內(nèi)容可為有效控制飲用水中VBNC 狀態(tài)致病菌、保障飲用水供水安全提供一定的參考。

1 飲用水中VBNC 狀態(tài)細(xì)菌涉及的種類和生物學(xué)特征

1.1 飲用水中VBNC 狀態(tài)細(xì)菌涉及的種類

迄今國內(nèi)外已陸續(xù)報道100 余種微生物能夠在某些不利的環(huán)境條件下誘導(dǎo)進(jìn)入VBNC 狀態(tài),包括多種細(xì)菌類群和部分真菌,細(xì)菌又分為致病菌和非致病菌。 其中,常見的水源性致病菌種類如表1[4-6]所示,大多數(shù)為革蘭氏陰性菌(G-),以變形菌門γ-變形菌綱細(xì)菌為主(11 屬20 種),其余則屬于α-變形菌綱(1 屬1 種)、β-變形菌綱(1屬1 種)、ε-變形菌綱(1 屬1 種)和擬桿菌門(1屬1 種);僅有少量細(xì)菌為革蘭氏陽性菌(G+),分別屬于厚壁菌門(4 屬4 種)和放線菌門(2 屬2種)。

表1 飲用水中部分已報道可進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的致病菌種類Tab.1 Some Pathogenic Bacteria in Drinking Water Reportedly Entering into VBNC State

1.2 飲用水中VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的生物學(xué)特征

進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的細(xì)菌,它的多種生物學(xué)特征均會發(fā)生較明顯變化,主要表現(xiàn)在細(xì)胞形態(tài)、代謝活性、抗性與致病性等方面。

細(xì)胞形態(tài):細(xì)胞形態(tài)的變化是不同菌體應(yīng)對環(huán)境變化的一種自我保護(hù)現(xiàn)象。 大多數(shù)細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)后,細(xì)胞體積變小,桿狀和弧狀細(xì)菌通常會變?yōu)榍驐U狀或球狀[7];而有些處于VBNC 狀態(tài)的G+,如糞腸球菌[8]的細(xì)胞形態(tài)則會變大并稍微伸長。

代謝活性:VBNC 狀態(tài)的細(xì)菌能夠保持較低的代謝活性。 利用5-氰基-2,3-二甲苯基四氮唑(CTC)染色結(jié)合流式細(xì)胞儀檢測發(fā)現(xiàn)VBNC 狀態(tài)下的大腸桿菌仍然保持呼吸活性,但較可培養(yǎng)細(xì)胞降低了約50%[9]。 同樣地,金黃色葡萄球菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)后,與代謝相關(guān)的基因明顯下調(diào)、代謝活性受到抑制[10]。

抗性:一般情況下,處于VBNC 狀態(tài)的細(xì)菌細(xì)胞代謝活性減弱、分裂增殖能力下降,對外界脅迫因子的抗性增強(qiáng)。 VBNC 狀態(tài)的副溶血性弧菌對高溫(42、47 ℃)、低滲透壓(0.9% NaCl)和高濃度酸(pH 值=4.0)應(yīng)激條件的抗性增強(qiáng)[11];VBNC 狀態(tài)的大腸桿菌對氨芐西林、慶大霉素、多黏菌素、環(huán)丙沙星等9 種典型抗生素也表現(xiàn)出良好的耐受性[12]。

致病性:VBNC 狀態(tài)致病菌能夠直接表達(dá)毒力因子或保留致病潛力,復(fù)蘇后恢復(fù)致病性,對水質(zhì)安全和人類健康造成潛在危害。 利用實(shí)時熒光定量PCR(RT-PCR)技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn),進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的副溶血性弧菌可以表達(dá)毒力基因tdh2[13];然而哈維氏弧菌的毒力基因表達(dá)檢測結(jié)果顯示,VBNC 狀態(tài)細(xì)胞中未檢測到溶血毒素基因的表達(dá),但復(fù)蘇細(xì)胞仍能導(dǎo)致斑馬魚的死亡,說明復(fù)蘇后該細(xì)菌的致病性也隨之恢復(fù)[14]。

2 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測方法

細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)后會喪失可培養(yǎng)性,常規(guī)平板計數(shù)法無法對其進(jìn)行有效檢測,導(dǎo)致“漏檢”部分致病菌、影響水質(zhì)安全,需建立快速、準(zhǔn)確的VBNC 細(xì)菌檢測方法。

目前尚未報道能夠直接檢測VBNC 狀態(tài)細(xì)菌數(shù)量的方法,一般而言,該過程需要分別對總菌、活菌和可培養(yǎng)菌進(jìn)行定量計數(shù),當(dāng)可培養(yǎng)菌數(shù)明顯小于活菌數(shù)時,即可認(rèn)為存在部分處于VBNC 狀態(tài)的細(xì)菌,其數(shù)量可通過活菌數(shù)和可培養(yǎng)菌數(shù)的差值獲得,即VBNC 狀態(tài)菌數(shù)=活菌數(shù)-可培養(yǎng)菌數(shù)。 可培養(yǎng)菌數(shù)由平板計數(shù)法獲得,由此可見關(guān)鍵在于對活菌數(shù)的準(zhǔn)確測定。

目前針對活菌數(shù)量的檢測主要使用由Kogure等[15]最初采用的活菌直接計數(shù)法(direct viable counting,DVC),而部分革蘭氏陽性菌對萘啶酮酸的抗性會導(dǎo)致觀察效果不好。 為進(jìn)一步提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,LIVE/DEAD 試劑盒檢測法、流式細(xì)胞儀檢測法、免疫學(xué)法等檢測手段陸續(xù)得到發(fā)展和應(yīng)用。近年來,實(shí)時熒光定量PCR 法(quantitative real-time PCR)、疊氮溴化丙錠聯(lián)合實(shí)時熒光定量PCR 法(PMA-qPCR)、核酸探針等分子生物學(xué)檢測手段也被用于VBNC 狀態(tài)的檢測[16]。 上述幾種VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測方法的對比如表2[17]所示。 由于單一檢測方法的結(jié)果具有局限性,在實(shí)際應(yīng)用過程中大多通過兩種或以上的方法組合驗證的方式來提高檢測精確度。

表2 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測方法比較Tab.2 Comparison of Determination Methods for Bacteria in VBNC State

3 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的形成和復(fù)蘇機(jī)制

3.1 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的誘導(dǎo)因素

目前已證實(shí)多種環(huán)境因素可以誘導(dǎo)細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài),包括溫度、營養(yǎng)、pH、鹽度、氧氣濃度、紫外照射等物理因素,以及消毒劑、抗生素等化學(xué)因素。 在飲用水處理過程中,溫度(季節(jié)變化)和營養(yǎng)缺乏(饑餓狀態(tài))是影響細(xì)菌VBNC 狀態(tài)形成的主要因素。

3.1.1 溫度

溫度對細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的誘導(dǎo)與細(xì)菌種類有關(guān),主要區(qū)別在于細(xì)菌對高溫/低溫的敏感度。 分別在10～30 ℃和4～6 ℃條件下培養(yǎng)霍亂弧菌和空腸彎曲桿菌,發(fā)現(xiàn)霍亂弧菌在4 ～6 ℃時更容易進(jìn)入VBNC 狀態(tài),而空腸彎曲桿菌在30 ℃條件下的誘導(dǎo)效果更好[2]。 相關(guān)研究表明,大多數(shù)水源性致病菌對低溫較敏感,能夠在低溫條件下進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。在飲用水處理全過程中,水溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化,尤其是冬季和夏季。 在不同的季節(jié),細(xì)菌可能呈現(xiàn)不同的生存狀態(tài),在活菌和VBNC 狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化。

3.1.2 營養(yǎng)缺乏

營養(yǎng)缺乏是影響細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的重要因素之一,VBNC 狀態(tài)可增強(qiáng)細(xì)菌對寡營養(yǎng)環(huán)境的抗性。 使用無菌蒸餾水培養(yǎng)軍團(tuán)菌,發(fā)現(xiàn)軍團(tuán)菌在饑餓狀態(tài)下進(jìn)入VBNC 狀態(tài),并伴隨有細(xì)胞膜的損傷和酯酶活性降低等現(xiàn)象[18]。

3.1.3 其他因素

飲用水處理過程中的紫外照射和消毒劑處理也被證實(shí)可以導(dǎo)致多種細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)[19-20]。使用質(zhì)量濃度為1 mg/L 的氯處理大腸桿菌5 ～60 min 后,發(fā)現(xiàn)可培養(yǎng)細(xì)菌從1×106CFU/mL 降至0,而活菌數(shù)相差不大,認(rèn)為已被誘導(dǎo)進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。 相較而言,鹽度和滲透壓對于水源性細(xì)菌影響相對較弱。

3.2 細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的形成機(jī)制

目前,細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的形成機(jī)制尚不明確,現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)該過程涉及細(xì)菌多種代謝途徑中的眾多相關(guān)基因,主要包括嚴(yán)緊反應(yīng)、蛋白酶對抗毒素的降解和毒素-抗毒素(toxin-antitoxin,TA)系統(tǒng)[21],三者相互協(xié)同發(fā)揮作用。 此外,氧化應(yīng)激反應(yīng)和一些關(guān)鍵調(diào)控因子對VBNC 狀態(tài)的形成也具有重要意義,主要形成機(jī)制如圖2 所示。

圖2 VBNC 狀態(tài)形成機(jī)制Fig.2 Formation Mechanism of VBNC State

3.2.1 嚴(yán)緊反應(yīng)、蛋白酶對抗毒素的降解和TA系統(tǒng)

嚴(yán)緊反應(yīng)是通過減緩細(xì)菌生長實(shí)現(xiàn)菌體內(nèi)氨、基酸水平升高的一種作用機(jī)制,該過程主要利用信號分子鳥苷五磷酸或鳥苷四磷酸[(p)ppGpp]對細(xì)胞分裂轉(zhuǎn)錄和翻譯等生理過程進(jìn)行調(diào)控。 在營養(yǎng)缺乏的條件下,被激活的核糖體蛋白RelA 和胞質(zhì)蛋白SpoT 能夠合成 (p)ppGpp 信號分子,(p)ppGpp 通過抑制外切聚磷酸酶(PPX) 對多聚磷酸鹽(polyphosphates,PolyP)的降解、促進(jìn)多聚磷酸鹽激酶(PPK1、PPK2)的活化實(shí)現(xiàn)細(xì)菌體內(nèi)PolyP 的逐漸積累。 Lon/Clp 蛋白酶被積累的PolyP 激活并開始降解TA 系統(tǒng)的抗毒素,使得毒素(toxin)和抗毒素(antitoxin)比例升高,游離毒素通過抑制細(xì)胞DNA 復(fù)制和mRNA 翻譯等過程抑制細(xì)胞分裂和生長,進(jìn)而調(diào)控VBNC 狀態(tài)的形成[22-23]。

3.2.2 氧化應(yīng)激反應(yīng)

ROS 和氧化應(yīng)激反應(yīng)是VBNC 狀態(tài)形成的重要因素。 研究[24]表明,抗氧化酶AhpC、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶GST、過氧化氫酶KatA/KatG、超氧化物歧化酶SodA 等與ROS 相關(guān)的蛋白質(zhì)均參與VBNC 細(xì)菌的形成。 在低溫條件下,過氧化氫酶活性受到抑制、細(xì)胞可培養(yǎng)性降低,部分水源性致病菌能夠進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。 對于紫外線照射和消毒處理等過程而言,過量自由基的產(chǎn)生、氧化應(yīng)激反應(yīng)及相關(guān)基因的表達(dá)也能促進(jìn)VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的形成。

3.2.3 關(guān)鍵調(diào)控因子

RNA 聚合酶sigma 因子(RNA polymerase sigma factor,RpoS)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子OxyR 對VBNC 狀態(tài)的形成具有一定的調(diào)控作用[25]。 RpoS 蛋白能夠調(diào)控細(xì)菌轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)水解等過程,菌體內(nèi)(p)ppGpp 水平的增加會導(dǎo)致RpoS 蛋白的積累,進(jìn)而誘導(dǎo)VBNC 狀態(tài);OxyR 的作用機(jī)制主要與活性氧及抗氧化脅迫有關(guān),通過影響AhpC 和GST 等基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的調(diào)控[24]。

3.3 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的復(fù)蘇機(jī)制

針對不同的細(xì)菌種類和誘導(dǎo)條件,VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的復(fù)蘇方法和能力也大不相同。 目前可行的VBNC 狀態(tài)復(fù)蘇方法主要有兩種:一是去除誘導(dǎo)因子,即降低外界環(huán)境脅迫;二是添加與復(fù)蘇相關(guān)的特定信號分子,如復(fù)蘇促進(jìn)因子、自誘導(dǎo)因子等。

3.3.1 去除誘導(dǎo)因子

低溫、寡營養(yǎng)、紫外線照射等不利條件均可誘導(dǎo)細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài),相對應(yīng)地,通過提高培養(yǎng)溫度、添加某些營養(yǎng)物質(zhì)、添加自由基清除劑(丙酮酸鈉)等方法直接去除環(huán)境誘導(dǎo)因子可以實(shí)現(xiàn)VBNC狀態(tài)細(xì)菌的復(fù)蘇。 在培養(yǎng)液中添加營養(yǎng)物質(zhì)并升溫培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)低溫寡營養(yǎng)條件下誘導(dǎo)的VBNC 狀態(tài)副溶血弧菌細(xì)菌能夠在48 h 內(nèi)復(fù)蘇為可培養(yǎng)狀態(tài),且復(fù)蘇后的副溶血弧菌與正常狀態(tài)的細(xì)菌形態(tài)相似[26]。

然而現(xiàn)有研究結(jié)果表明,僅有少量被誘導(dǎo)進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的細(xì)菌能夠在實(shí)驗室條件下成功復(fù)蘇。由此可見,該過程并不是簡單的逆轉(zhuǎn)過程,具體的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

3.3.2 添加信號分子

(1)復(fù)蘇促進(jìn)因子

1995 年,Mukamolova 等[27]首次在滕黃微球菌中發(fā)現(xiàn)了復(fù)蘇促進(jìn)因子Rpf(resuscitation-promoting factor)。 Rpf 是一種高度保守的分泌蛋白,廣泛存在于高G+C 的G+中,能有效促進(jìn)該類細(xì)菌,尤其是放線菌門細(xì)菌的生長和復(fù)蘇[28]。

目前針對Rpf 促進(jìn)VBNC 狀態(tài)細(xì)菌復(fù)蘇機(jī)制的研究主要從兩個方面考慮:①Rpf 作為細(xì)胞因子,能夠與VBNC 狀態(tài)細(xì)菌表面的受體蛋白結(jié)合并傳遞生長信號,促進(jìn)細(xì)胞的生長和復(fù)蘇,但目前仍未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的受體以及上、下游調(diào)控因子[29];②Rpf 作為一種胞壁溶解酶,其作用機(jī)制與溶菌酶相似,通過水解VBNC 狀態(tài)細(xì)菌細(xì)胞壁中的肽聚糖,使得細(xì)胞壁部分裂解,促進(jìn)細(xì)胞分裂和生長[30],降解得到的肽聚糖產(chǎn)物也可能充當(dāng)“第二信使”,協(xié)同其他的影響因素,共同參與VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的生長和復(fù)蘇過程。

此外,在部分G-(沙門氏菌屬、弧菌屬等)中也發(fā)現(xiàn)了類似于Rpf 的復(fù)蘇促進(jìn)因子,如YeaZ、Gcp等[31-32],這些蛋白類似于糖蛋白酶,其蛋白互作網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞分裂和DNA 代謝密切相關(guān)。 然而G-的蛋白結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,目前相關(guān)研究較少,作用機(jī)制尚未形成定論。

(2)自誘導(dǎo)因子

自誘導(dǎo)因子(AI-2) 是由群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)分泌的一種信號分子,能夠?qū)崿F(xiàn)VBNC狀態(tài)細(xì)菌的復(fù)蘇。 研究[21]表明,細(xì)菌的生理過程變化受到多種蛋白的共同調(diào)控,如LuxR 蛋白能夠調(diào)節(jié)細(xì)菌的毒性基因表達(dá)和生物膜形成,RpoS 蛋白則能夠調(diào)節(jié)細(xì)菌在不良環(huán)境下的應(yīng)激表達(dá)。 在適當(dāng)條件下,群體感應(yīng)信號分子AI-2 能夠提高luxR和rpoS等相關(guān)基因的表達(dá), 實(shí)現(xiàn)VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的復(fù)蘇[33]。

4 飲用水處理過程對細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的影響

相關(guān)報道顯示,在飲用水處理及管道輸配過程中,受到多種外界環(huán)境因素的影響,部分水源性致病菌可能會被誘導(dǎo)進(jìn)入VBNC 狀態(tài)[34],能夠直接表達(dá)毒力因子或保留致病潛力。 因此,進(jìn)一步探究飲用水處理過程對于細(xì)菌VBNC 狀態(tài)形成和復(fù)蘇的影響,對于保障飲用水安全具有重要意義。

飲用水常規(guī)處理工藝包括混凝-沉淀-過濾-消毒,為了有效去除水中大分子有機(jī)物、提高出水水質(zhì),部分水廠增設(shè)了如O3-BAC、膜處理等深度處理單元。 其中,涉及到VBNC 狀態(tài)細(xì)菌變化的主要工藝包括混凝、沉淀、過濾、O3-BAC 工藝和消毒處理。

4.1 混凝、沉淀、過濾工藝單元

混凝、沉淀、過濾是飲用水處理過程中最基本的處理單元,其主要凈水原理是通過投加混凝劑,使水中膠體物質(zhì)凝聚成團(tuán)沉降,利用石英砂過濾去除水中的細(xì)小懸浮顆粒,其中包括一部分的VBNC 狀態(tài)細(xì)菌。 針對全尺寸飲用水處理廠中致病菌VBNC 狀態(tài)的檢測結(jié)果[35]表明,相較于水源水而言,該階段的VBNC 狀態(tài)細(xì)菌數(shù)量有所減少。 然而目前尚未見有關(guān)混凝、沉淀、過濾工藝誘導(dǎo)細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的報道。

4.2 O3-BAC 工藝

O3氧化能夠破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),程度嚴(yán)重時會導(dǎo)致細(xì)胞死亡,對水中微生物具有一定的控制作用。 同時能通過產(chǎn)生過量自由基,誘導(dǎo)微生物上調(diào)抗氧化相關(guān)基因表達(dá),促使部分未被完全滅活的細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)[20]。

BAC 上富集大量的微生物,具有豐富的種群多樣性和種群結(jié)構(gòu),能夠為細(xì)菌提供更多的生態(tài)位,同時為實(shí)現(xiàn)細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的轉(zhuǎn)變提供了更多的可能性。 相關(guān)研究表明,BAC 顆粒上的致病微生物大多來源于水源水,而大多數(shù)致病菌在水源水中已經(jīng)處于VBNC 狀態(tài)[35],部分致病微生物在BAC 前置處理過程中也會轉(zhuǎn)變?yōu)閂BNC 狀態(tài),這些VBNC 狀態(tài)細(xì)菌能夠直接富集在BAC 上,因此,BAC 生物膜上的致病微生物是活菌和VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的混合體。炭池運(yùn)行過程中形成的不利環(huán)境條件也能夠誘導(dǎo)部分致病微生物進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌在炭池不同深度的分布情況間接反映了O3-BAC 對VBNC 狀態(tài)的誘導(dǎo)作用。 表層細(xì)菌由于長期暴露于O3環(huán)境下,易造成細(xì)胞膜的破壞;而深層細(xì)菌能夠持續(xù)消耗營養(yǎng)物質(zhì)和O2,易形成寡營養(yǎng)環(huán)境,并導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量降低[36],營養(yǎng)缺乏和O3都是細(xì)菌VBNC 狀態(tài)形成的重要因素,兩者的共同作用對細(xì)菌VBNC 狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響,需要進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

4.3 消毒工藝單元

常見的飲用水消毒處理方法(氯氣、紫外線等)均可誘導(dǎo)細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。 其中,紫外線處理能夠降低細(xì)胞的可培養(yǎng)性,引起微生物機(jī)體內(nèi)活性氧的失衡, 促使其進(jìn)入VBNC 狀態(tài)[37];而氯氣消毒則主要依靠細(xì)胞膜的損傷、抑制酶促反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)[20]。

細(xì)菌種類和誘導(dǎo)因子均會影響消毒處理誘導(dǎo)微生物進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的復(fù)蘇能力。 利用紫外線分別誘導(dǎo)大腸桿菌和銅綠假單胞菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài),發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的復(fù)蘇能力比銅綠假單胞菌強(qiáng)[37];經(jīng)氯/氯胺處理后的大腸桿菌均可進(jìn)入VBNC 狀態(tài),但僅有氯處理的VBNC 狀態(tài)細(xì)菌能夠在37 ℃的LB培養(yǎng)基中復(fù)蘇[9]。

4.4 水廠控制VBNC 狀態(tài)微生物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)探討

相較于其他飲用水處理工藝,O3-BAC 工藝對于VBNC 狀態(tài)微生物的控制起著關(guān)鍵的作用。 一方面,通過O3氧化可以有效滅活大部分微生物,但也能誘導(dǎo)部分未被滅活的微生物處于VBNC 狀態(tài),并在BAC 單元截留、富集;另一方面,BAC 單元凈化過程中,微生物在BAC 顆粒表面和孔隙內(nèi)大量富集、滋生、增殖,以及生物膜厚度的增加,造成局部營養(yǎng)物含量不足及生長條件惡化,誘導(dǎo)部分微生物進(jìn)入VBNC 狀態(tài)。 在一般水廠應(yīng)用中,O3-BAC 工藝常被設(shè)置于凈化工藝末端,會直接影響最終出水中VBNC 細(xì)菌的種類和含量。 因此,O3-BAC 工藝對于水廠VBNC 細(xì)菌控制具有重要的意義,具體可通過以下途徑予以優(yōu)化控制:

1)解析O3氧化滅活微生物效能與誘導(dǎo)微生物處于VBNC 狀態(tài)的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系,探討水質(zhì)條件的影響因素,優(yōu)化O3投加劑量;

2)明確BAC 單元中VNBC 微生物富集以及誘導(dǎo)生物膜微生物進(jìn)入VBNC 狀態(tài)的機(jī)制及關(guān)鍵條件,合理調(diào)整BAC 運(yùn)行參數(shù),規(guī)避或減弱BAC 凈化過程中對VBNC 狀態(tài)的誘導(dǎo)效應(yīng);

3)強(qiáng)化O3-BAC 工藝出水中VBNC 狀態(tài)微生物的控制,通過BAC 單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,改進(jìn)底部砂墊層的組成及厚度,強(qiáng)化對逸散微生物的截留及控制效能,必要情況下,可通過后置增設(shè)超濾膜截留、優(yōu)化消毒工藝形式等方式來確保VBNC 狀態(tài)微生物的有效控制。

5 結(jié)論

飲用水處理過程中存在的各種物理、化學(xué)等環(huán)境脅迫因素,能夠誘導(dǎo)部分致病菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài),并在適當(dāng)條件下復(fù)蘇,致病性的恢復(fù)對飲用水安全和人體健康造成了嚴(yán)重威脅。 因此,進(jìn)一步探討飲用水全處理流程中細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的形成和復(fù)蘇機(jī)制、建立有效的VBNC 狀態(tài)細(xì)菌控制手段是今后的研究重點(diǎn),主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)明確VBNC 狀態(tài)細(xì)菌在飲用水處理全過程中的分布情況,分析VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的轉(zhuǎn)變規(guī)律;(2)研究飲用水處理條件對VBNC 狀態(tài)細(xì)菌的誘導(dǎo)作用,深入探討VBNC 狀態(tài)的形成及復(fù)蘇機(jī)制;(3)建立快速、準(zhǔn)確的VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測方法,避免致病菌的“漏檢”,保障供水安全。