净水工艺单元中微生物多样性的研究进展

刘 威,郭新明,李月兴,孙义敏,王 松,王菁华

(黑龙江省科学院自然与生态研究所,哈尔滨 150040)

威胁饮用水安全的首要问题是微生物安全[1]。研究发现,经过严格的消毒处理后,饮用水呈现贫营养、消毒剂余量等状态,但水中的微生物依然可能存在[2-3]。近年来,随着检测技术的发展,人们对饮用水中的微生物安全风险开展了各类研究[4]。Oie S.等[5]抽检了日本某县的矿泉水样品(27份),菌落总数结果显示,10份本地生产的矿泉水中超标1份,菌落总数为1.8×103CFU/mL,不合格率为10.0%。任葳等[1]对西北某市水源水进行真菌菌群结构调查研究,结果显示,隐球菌属、暗球腔菌属、镰刀菌属、青霉属4种类型为优势种属。饮用水水源地沉积物、净水工艺单元中有大量的微生物存在,微生物生长繁殖过程中代谢产生的代谢产物会相对稳定的释放,影响饮用水品质及人体健康[6],故在饮用水微生物安全及控制技术研究过程中掌握微生物群落多样性与时空分布变化规律具有重要意义[7]。

本研究综述了各净水工艺单元对微生物的去除作用、微生物检测技术及微生物群落结构在净水工艺单元中的动态变化研究进展,以期为致病微生物防治提供一定的理论基础。

1 净水工艺单元对微生物的去除作用及其局限性

净水工艺单元主要包括常规工艺(絮凝沉淀、砂滤等)与深度处理工艺(臭氧氧化、活性炭过滤等)单元。在饮用水各工艺单元出水中,将去除部分化学物质、大的杂质及微生物,极大保障饮用水的品质。但微生物的去除机制较为复杂,与原水水质情况、环境指数及水处理方式等关系密切,净水工艺单元的组合顺序及所用材料品类对其去除效力也会产生很大的影响[8]。

1.1 臭氧氧化工艺单元对微生物的去除及影响

臭氧(O3)具有极强的氧化性,在水中溶解度较高,水中的部分微生物可被其杀死,甚至可以去除如幽门螺旋杆菌等VBNC状态下的微生物[9-10]。Feridun Demir等[11]认为,臭氧对微生物种群的去除率高达99%。与氯消毒相比,臭氧具有消毒剂量低、速度快、残留少的特点,能有效杀灭耐氯菌[12-14]。

臭氧因生产成本相对较高、长期储存受限、消杀持久性差,限制了臭氧消毒技术在水处理工艺中的广泛应用。在实际生产中臭氧使用浓度较低,对有机物氧化分解后残余浓度更低,消杀作用较小的可用于炭滤池中,臭氧分解形成的溶解氧及有机物可促进生物活性炭附着微生物群落的更新,增强其生长活性。但饮用水的品质可能会受到臭氧消毒副产物及强致突变物质的影响,进而增加水质恶变的可能[15-16]。

1.2 活性炭单元对微生物的去除及影响

活性炭经炭化及活化过程制备而成[17]。当水中大量的微生物附着于活性炭表面后,两者会形成一个生物膜来吸附污染物,利用生物膜氧化分解污染物质[18]。常规活性炭由于灰分高、选择性吸附能力差、孔径分布不均,限制了其对水中污染物的吸附[19]。Jost Wingender等[20]研究认为,在饮用水的生产过程中存在生物膜,可形成一个相对闭合的体系,为微生物群落的留存提供条件,增加了饮用水微生物泄露的可能。有研究表明,生物活性炭滤池成熟后,出水中含有的微生物量较砂滤池出水明显增多[21]。

生物活性炭滤池运行一段时间后,为了提高水中微污染有机物的降解效率,需对炭滤池进行反冲洗以恢复其生物活性,但在进行一段时间的反冲洗后,可能会增加出水中微生物群落的多样性及丰度[22]。此外,因部分微生物代谢生成的毒性蛋白难以去除,可能导致饮用水的品质受到影响[23]。

1.3 消毒工艺单元对微生物的去除及影响

消毒工艺单元是消除病原微生物并提供净化饮用水的关键保障[24]。不同消毒技术对微生物种株、生长状态及群落存在状态的消杀能力不同[25];微生物对氯、臭氧及紫外线在不同环境条件下抗性不同,甚至会产生抗性菌[26]。

在饮用水消毒方法中,氯消毒对微生物有良好的消杀效果,应用最为广泛。但氯消毒后水中残留的消毒剂很难完全阻止管网中微生物的附着繁殖[27]。Baker K等[28]发现,部分致病微生物(幽门螺旋杆菌等)难以被一定浓度的氯(0.05～6 mg/L)去除,此类微生物无法被消除,还有可能被诱导成VBNC态的微生物。如果在生物活性炭滤池存留具有较强抗氯性的微生物(如军团菌、分枝杆菌等),依附于炭粒,依靠氯消毒等消毒方式将难以杀灭。目前,联合消毒技术成为了主流的研究方向[29]。

微滤与超滤技术是一种能够有效去除水中污染物及微生物(包括病毒)的膜技术消毒手段,可避免产生消毒副产物。但膜法饮用水处理技术因其成本高、劣化、膜污染、化学及生物降解等问题导致应用受限[30-33]。

2 微生物检测技术在净水工艺单元中的应用

2.1 传统微生物学方法研究现状

显微镜观察、纯种分离纯化培养及生理生化反应等属于传统微生物研究方法。John等[34]通过分离培养水体中的细菌发现,出厂水中比未经处理的原水中的多重耐药(MDR)细菌更为常见。传统微生物学方法发挥了重要的作用,但水体中含有大部分不可培养的微生物[35],传统培养基具选择作用,造成培养结果与水体中实际微生物多样性特征等信息偏差甚远[36]。

2.2 分子生物学技术研究现状

20世纪90年代,越来越多的分子生物学技术被大量引入。相比于传统的微生物培养手段,现代分子生物学方法能够较全面地反映微生物群落的多样性,较精确地揭示微生物进化关系及其相关生态功能。

2.2.1 磷脂脂肪酸图谱分析(phospholipid fairy acid,PLFA)

磷脂脂肪酸图谱分析可定性、定量分析饮用水系统中的微生物群落多样性。Moll等[37]发现,滤池内细菌群落多样性受臭氧氧化、接触时间及含氯水反冲洗方式的影响。尽管PLFA图谱分析法具有准确定量的优点,能有效揭示环境微生物群落的结构变化,但却不能有所突破。

2.2.2 克隆文库法

克隆文库法是基于数据库中的已知序列进行比对鉴定微生物种类,能够反映样本中微生物的多样性与菌群结构。该方法在饮用水给水系统微生物的测定中得到了广泛应用。Li等[38]利用上述技术分析发现,BAC系统中的细菌群落结构可通过外加磷源来改变。王敏等[39-40]通过克隆文库的分析发现,活性炭表层生物膜中具有丰富的细菌种群多样性,检测到的活性炭表面微生物的种群主要有生丝微菌与单胞菌属及红环菌、醋杆菌、离中不粘柄菌及BacteriumEllin331。克隆文库法虽在分子研究方面受到认可,但因其分析克隆数目需求大、耗时长、费用高,不利于持续对研究对象的种群结构多样性变化展开追踪分析[41]。

2.2.3 变性梯度凝胶电泳(DGGE)

变性梯度凝胶电泳技术在给水系统中主要用于分析处理系统及配水系统中真菌、细菌群落结构及其影响因素[42-43]。Farahnaz Emtiazi等[44]采用PCR-DGGE方法检测生物膜样品中微生物群落多样性,发现在不同采样点的微生物群落组成不同,大多数细菌为β变形菌。宋巍[45]利用DGGE方法分析了5 种不同类型饮用水源中环境因子与微生物群落结构间的相关性,得出同一种水样的微生物群落结构相似。此外,DGGE方法可用来研究评价不同给水处理工艺出水的微生物学水质[46]。但其操作烦琐,不适合做定量分析[47]。

2.3 高通量测序技术(high-throughput sequencing)分析群落多样性

现代分子生物学技术克服了传统微生物学培养方法获取微生物信息的局限性,但相比于快速发展的高通量测序技术,对大部分微生物在环境中的发掘还不够全面。目前,454焦磷酸测序(Pyrosequencing)技术与Illumina测序平台是主要用于饮用水微生物群多样性研究的高通量测序平台。

2.3.1 454焦磷酸测序技术

基于454焦磷酸测序技术的研究表明,BAC上微生物群落多样性很高,变形菌门为主要优势菌,但变形菌门主要组分比例会受到活性炭滤池进水不同浓度的DOC及氨氮的显著影响[48]。Soondong Kwon等[49]通过焦磷酸测序技术对一个带微滤装置的中试水厂进行微生物群落研究发现,原水中含有比例高达61.1%的β变形菌纲,除了常见的变形菌外,还有假单胞菌、军团菌、色素细菌及气单胞菌属等。Huirong Lin等[50]分别对传统水处理及臭氧-活性炭深度处理系统的各个环节出水中的细菌多样性进行研究,结果表明,两系统中的细菌群落多样性高度相似,β变形菌纲为优势菌,两个水处理工艺对水体中的微生物群落组成及水质影响较大。

2.3.2 Illumina测序技术

与上述测序技术相比,Illumina测序具有易操作、通量高、低成本、结果准确度高及灵敏更高等突出优势,因此454焦磷酸测序技术被逐渐取代。目前Illumina测序对饮用水系统环境样本进行测序是其在饮用水系统中的应用主要方向,能够分析群落时空变化,寻找引起水质变化的可能根源,并结合变化的环境因子,为防控水处理中微生物安全问题提供理论依据。

基于Illumina测序技术的研究表明,微生物群落的结构在絮凝沉淀及预氧化处理过程中几乎没有影响,而对微生物群落结构影响较大的处理单元为臭氧处理、活性炭滤池、砂滤池及消毒单元[51]。Qi Li等[52]采用Illumina测序技术发现,细菌群落组成在臭氧氧化出水、BAC出水及消毒后会随采样时间的变化而变化。Huiting Wu等[53]证实了变形菌门是饮用水实际配水系统中的优势菌门,水处理方式能改变传输过程中生物膜上的细菌群落结构。Zilong Mi等[54]研究表明,饮用水系统中生物膜的微生物多样性与群落结构会受到消毒剂种类及剂量的影响,经氯胺与氯处理后的生物膜上优势菌分别为变形菌门与厚壁菌门,且氯胺消毒会比氯消毒对细菌群落的影响更大。

3 结束语

饮用水生产过程中的净水工艺单元能够去除大的杂质、部分化学物质及微生物,极大地保障饮用水安全,其中常规工艺(絮凝沉淀、砂滤等)与深度处理工艺(臭氧氧化、活性炭过滤、消毒等)是控制饮用水致病微生物的重要防线。但随着季节及环境因子的变化,净水工艺出水中微生物菌群多样性呈现动态变化,致病微生物亦常被检出,饮用水安全受到潜在威胁。运用先进的微生物检测技术、掌握供水系统中微生物群落组成的迁移变化规律,可为供水系统中致病微生物的风险控制及优化防控提供理论基础。未来,需长期监测净水工艺单元出水中的致病微生物,建立快速检测方法,制定生物防控措施,保障饮用水的安全。