罗文姬 许雅棋 乐晓光 傅 鹏 张丽蓉 邓金花 宋金武
广东环凯生物技术有限公司,广东韶关,512029
膜污染是反渗透膜在水处理应用中的最大危害,不仅降低膜的运行效率,缩短其使用寿命,还使得产水量降低,产水水质不符合要求[1]。为此,膜系统运行一段时间后,一般会进行清洗消毒。目前常用的几种杀菌剂有甲基异噻唑啉酮(MIT)、甲基氯异噻唑啉酮(CMIT)、2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺(DBNPA)、过氧化氢(H2O2)、过氧乙酸、含氯杀菌剂等。
DBNPA可有效杀灭引起植物枯萎的真菌[2],是一种常见的广谱杀菌剂,用于工业的防霉杀菌。因为它的非氧化性质,杀菌时不容易损害膜元件,对精密度较高的膜元件非常友好[3]。DBNPA通常用来防止细菌和藻类在造纸、工业循环冷却水、金属加工用润滑油、纸浆、木材、涂料和胶合板中的生长繁殖,同时可做黏泥控制剂,广泛用于造纸厂纸浆和循环冷却水系统。作为广谱高效的杀菌剂,能迅速穿透微生物的细胞膜,并作用于一定的蛋白基团,使细胞的正常氧化还原中止,从而引起细胞死亡。同时,它的分支还可以选择性地溴化或氧化微生物的特殊酶代谢物,最终导致微生物死亡[4]。此外,DBNPA具有良好的剥离性能,使用时无泡沫,液体产品与水可任意比互溶,低毒[5-6]。
异噻唑啉酮类是一类广谱高效杀菌防腐剂,对微生物生长有很好抑制作用,可有效抑制细菌、霉菌及酵母菌的生长[7]。尤其在皮革行业,其防霉效果比甲醛[8]优。而甲基氯异噻唑啉酮(CMIT)和甲基异噻唑啉酮(MIT)以3∶1混合的凯松是常用的防腐杀菌剂[9]。但使用过多的CMIT、MIT会引起皮肤过敏,为此,可将其复配其他消毒剂,以降低使用浓度。
本研究以DBNPA为主要杀菌成分复合微量凯松作为复合杀菌剂,常规中和剂不能有效地中和该复合杀菌剂的作用,为此需要筛选出对本复合杀菌剂的有效中和剂,为杀菌效果评价提供有效的中和方法。实验探究根据主要杀菌成分结构选择不同中和剂组合,筛选有效的中和剂,探究不同作用时间和作用浓度的杀菌效果,并进行现场实验验证。
1.1.1 试剂材料
DBNPA(上海麦克林生化科技有限公司),CMIT/MIT(上海麦克林生化科技有限公司),D/E肉汤(广东环凯微生物科技有限公司),甘氨酸(国药集团有限公司),硫代硫酸钠(广州化学试剂厂),吐温-80(广州化学试剂厂),卵黄卵磷脂(广东环凯微生物科技有限公司),磷酸二氢钾(广州化学试剂厂),磷酸氢二钠(广州化学试剂厂),牛血清白蛋白(上海源叶生物科技有限公司),氯化钠(广州化学试剂厂),盐酸半胱氨酸盐酸盐(上海阿拉丁生化科技股份有限公司),胰蛋白胨(广东环凯微生物科技有限公司),营养琼脂培养基(广东环凯微生物科技有限公司),马铃薯葡萄糖琼脂培养基(广东环凯微生物科技有限公司),纯水。
超净工作台DL-CJ-2N,恒温培养箱DNP-9277,分析天平AUT220,计时器。
1.1.2 中和剂的准备
因为复合膜杀菌剂主要消毒成分是DBNPA,其含有两个溴基团和一个次氮基作为端基,溴基团是卤素,参考二氧化氯、次氯酸钠、聚维酮碘等含卤素元素的消毒剂以及季铵盐类消毒剂的中和剂,得到下面几种中和剂组合。
(1)中和剂A:0.5%硫代硫酸钠+0.2%卵黄卵磷脂+1%吐温-80的PBS溶液。
(2)中和剂B:1%硫代硫酸钠+0.5%卵黄卵磷脂+1%甘氨酸+8%吐温-80的PBS溶液。
(3)中和剂C:0.3%卵黄卵磷脂+3%吐温-80+0.01%组氨酸+0.1%盐酸半胱氨酸盐酸盐+0.85%氯化钠的PBS溶液。
(4)中和剂D:1%硫代硫酸钠+0.5%卵黄卵磷脂+1%吐温-80的PBS溶液。
(5)中和剂E:0.5%硫代硫酸钠+0.5%卵黄卵磷脂+1%甘氨酸+8%吐温-80的PBS溶液。
(6)中和剂F:0.5%卵黄卵磷脂+3%吐温-80+0.05%组氨酸+0.3%盐酸半胱氨酸盐酸盐+0.85%氯化钠的PBS溶液。
1.1.3 中和产物配制
取消毒剂按1∶9分别与中和剂A-F混合,反应10 min,得到中和产物A-F待用。
1.1.4 实验指示菌
试验用金黄色葡萄球菌(ATCC 6538,广东环凯微生物科技有限公司)、大肠杆菌(ATCC 25922,广东环凯微生物科技有限公司)、铜绿假单胞菌(ATCC 15442,广东环凯微生物科技有限公司)、白色念珠菌(ATCC 10231,广东环凯微生物科技有限公司)。
1.2.1 菌悬液配制
根据《消毒技术规范》(2002版)2.1.1.2.3及2.1.1.9.3要求,取菌种第4~14代的营养琼脂培养基斜面新鲜菌落(18~24 h),配制菌悬液,使得最终细菌菌落数为1×108~5×108cfu/ml,真菌菌落数为1×107~5×107cfu/ml。
1.2.2 中和剂鉴定
1.2.2.1 实验步骤
按照实验分组,准备足量的试管和平皿并编号。配制125 mg/ml的DBNPA溶液。取2.0 ml菌悬液于试管中,加入2.0 ml有机干扰物质,得到含有机干扰物的菌悬液。其余步骤参照《消毒技术规范》(2002版)2.1.1.5.5进行。
1.2.2.2 评价规定
按《消毒技术规范》(2002版)2.1.1.5.7要求,中和剂合格需要满足:
(1)第1组无实验菌,或仅有极少数实验菌落生长。
(2)第2组有较第1组为多,但较第3、4、5(组)为少的实验菌菌落生长。
(3)第3、4、5组有相似量试验菌生长,悬液实验在1×107~5×107cfu/ml,其组间菌落数误差率应不超过15%。第3、4、5组间菌落数误差率计算见公式(1)。
(4)第6组无菌落生长。
(5)连续3次试验取得合格。
1.2.3 悬液定量杀菌实验
使用无菌硬水配制1.25倍评价浓度(0.03‰、0.05‰、0.1‰)的杀菌剂0.038‰、0.063‰、0.125‰的DBNPA溶液。
取0.5 ml步骤1.2.1配制好的菌悬液加入无菌大试管中,再加入0.5 ml有机干扰物质,震荡摇匀。用无菌吸管吸取上述浓度消毒剂4.0 ml,震荡均匀并立刻计时。作用时间分别为45 min、60 min、90 min、135 min。
待实验菌和消毒剂作用至规定时间后,分别吸取0.5 ml实验菌和消毒剂混合液,加入4.5 ml灭菌的中和剂中,混匀,作用10 min。
随后,根据菌落生长实际情况,进行系列10倍稀释后,分别吸取1.0 ml样液,按活菌培养计数方法测定存活菌数,每管样液接种2个平皿。
同时用稀释液代替消毒剂,进行平行实验,作为阳性对照组。
所有实验样本均在37 ℃恒温培养箱中培养48 h,观察最终结果。实验重复3次,计算各组活菌浓度(cfu/ml),并换算为对数值(N),然后按公式(2)计算杀灭对数值,精确到小数点后两位。
1.2.4 现场实验
选择反渗透膜系统作为现场实验研究对象,根据反渗透膜清洗消毒步骤,对反渗透膜进行碱洗和酸洗后。往反渗透膜系统添加一定浓度DBNPA,循环30 min。停机浸泡60 min,随后排出消毒剂,用无菌水冲洗反渗透膜。取杀菌前后产水端水样500 ml,经过灭菌的滤膜过滤后,置于固体培养基平板上,进行37 ℃恒温培养。
实验结果表明(表1、表2),中和剂C、F的1、2、4组均不长铜绿假单胞菌,即中和剂C、F不能有效中和DBNPA的残留作用。而中和剂A、D、E的1、2组不长菌,3、4、5组铜绿假单胞菌、白色念珠菌的菌落误差均大于15%,即表明,中和剂A、D、E未能有效中和DBNPA的残留作用。使用中和剂B结果表明,第1、2组没有菌落生长,3、4、5组菌的含量相近,误差值满足<15%的要求。
表1 六种中和剂中和复方膜杀菌剂对铜绿假单胞菌的残留作用
表2 六种中和剂中和复方膜杀菌剂对白色念珠菌的残留作用
综上所述,使用1%硫代硫酸钠+0.5%卵磷脂+1%甘氨酸+8%吐温-80的PBS溶液可有效中和DBNPA对实验菌的残留作用。同时,中和剂对实验菌和培养基没有不良影响,为此,本研究采用此中和剂。
从表3可知,作用时间为45 min时,0.03‰、0.05‰、0.1‰的复合膜杀菌剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌的KL<5.0,对白色念珠菌的KL<4.0。当作用时间调整为60 min时(表4),浓度为0.05‰以上的复合膜杀菌剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌3种菌KL>4.0,对白色念珠菌KL>3.0。当作用时间增加至90 min时(表5),浓度为0.05‰以上的复合膜杀菌剂对3种细菌的KL>5.0,对白色念珠菌KL>4.0。当作用时间延长至135 min时(表6),3种浓度复合膜杀菌剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的KL>5.0,对白色念珠菌的KL>4.0。
表3 复合膜杀菌剂作用45 min杀菌效果
表4 复合膜杀菌剂作用60 min杀菌效果
表5 复合膜杀菌剂作用90 min杀菌效果
表6 复合膜杀菌剂作用135 min杀菌效果
根据DBNPA的悬液定量杀菌实验,选择浓度为0.05‰的DBNPA对膜进行消毒,最终比较消毒前后产水的菌含量。结果显示,消毒前,系统菌落对数为4.13消毒后,膜系统菌含量为0,即DBNPA对该水处理系统的自然菌落有明显杀灭效果。
通过作用基团入手筛选,最终得到了可以有效抵消复合膜杀菌剂消毒作用的中和剂,1%硫代硫酸钠+0.5%卵黄卵磷脂+1%甘氨酸+8%吐温-80的PBS溶液。通过不同作用时间的悬液定量杀菌试验,比较不同浓度下杀菌效果。实验结果表明,作用时间为90 min时,复合膜杀菌剂浓度0.05‰以上,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌的KL>5.0,对白色念珠菌KL>4.0。结合工艺流程,现场实验结果显示,复合膜杀菌剂浓度0.05‰对水处理自然菌落有明显杀灭效果。