高岭土对饮用水中微生物保护效果的研究

谷正，余超，章鑫鑫，鲁新珠

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

饮用水中颗粒物会给城镇饮用水系统带来一系列严重的问题。一方面，颗粒物中含铁的氧化物会消耗管道中水的余氯含量，使消毒剂过量衰减，使用户端余氯过低；另一方面，颗粒物给生物膜附着提供了载体，一定程度上为微生物提供了保护，限制了消毒效果。有研究表明，消灭生物膜上的微生物所需氯的含量是悬浮微生物的10倍[1]。目前，有关颗粒物对饮用水中微生物生长的研究多集中于颗粒物对微生物保护效果的现象以及颗粒物本身的物理化学性质，但对于在消毒剂胁迫下颗粒物如何调控微生物生理行为进而影响其保护效果和分布特征的认知还不清晰。本研究以饮用水中微生物为研究对象，通过构建静态模拟实验装置，考察了氯胁迫下高岭土对微生物的保护效果和胞外聚合物分泌的影响，旨在为高岭土在微生物保护方面的运用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高岭土，国药集团；次氯酸钠溶液、浓硫酸，分析纯，国药集团；Syto-9，分析纯，亚泰化工；碘化丙啶，分析纯，亚泰化工；聚碳酸酯滤膜，分析纯，英国Waterman；蒽酮，优级纯，上海阿拉丁；Lorry低蛋白试剂，上海荔达。

SW-CJ-1FD超净工作台，上海一恒；CP214电子天平，上海奥豪斯；TH4-200荧光显微镜，日本奥林巴斯；UV-2600紫外可见分光光度计，上海尤尼柯。

1.2 实验设置

以高岭土为例，确定微生物在不同浓度消毒剂胁迫下的存活情况，并进行胞外聚合物分泌量的测定。实验选择在无菌环境下的静止系统中进行，使用烧杯作为反应器。用75%的酒精将水龙头消毒，打开水龙头，让水流淌5 min，量取自来水5 L，将水样在室温下静置24 h以去除自来水中的余氯。取1 L准备好的自来水，并加入高岭土，浓度分别为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L，搅拌使高岭土在自来水中分布均匀。此外，设定一系列消毒剂的浓度梯度，消毒剂使用NaClO母液，在各反应器中添加一定量的NaClO母液，使各反应器环境中余氯浓度分别为0 mg/L（对照）、0.5 mg/L、1.0 mg/L。另外，实验过程均在超净工作台上进行，并封住杯口，避免杂菌污染。于1 h、3 h、6 h取样并进行相关指标的测定，每组实验均设有3个平行样，以保证实验的准确性。

1.3 实验方法

1.3.1 死活细菌数的测定

取Syto-9和碘化丙啶各3 μL，与待测菌液样品均匀混合，避光染色20 min，随后用孔径为0.22 μm的滤膜过滤。将滤膜从滤头中取出，置于洁净的载玻片上并在荧光显微镜200倍下观察并拍照，统计并换算出样品中的死活细菌数。

1.3.2 胞外聚合物的测定

取20 mL样品于试管中，将样品在70 ℃下水浴加热1 h，经0.22 μm滤膜过滤，得到胞外聚合物水溶液用于蛋白和多糖的定量测试。采用硫酸-蒽酮法测定多糖含量，取2 mL样品并加入8 mL硫酸-蒽酮溶液，100 ℃下加热10 min后放置至室温。在620 nm波长条件下采用紫外分光光度计测定其吸光度值。用葡萄糖作为标准物质做标准曲线。运用Lowry法测定蛋白的含量，取4 mL样品，加入1.2 mL福林酚试剂A液；静置10 min后，加入0.4 mL福林酚试剂B液，混合后于避光条件下静置30 min，在750 nm波长下测定其吸光度值。

2 结果与分析

2.1 高岭土对微生物的保护效果

如图1所示，为不同氯浓度和高岭土浓度下主体水溶液中活细菌数量。当氯浓度为0 mg/L时，主体水溶液中活微生物的数量随着高岭土浓度变化不大；当氯浓度升高到0.5 mg/L和1.0 mg/L，增加高岭土的投加量会使得水中活微生物数量增加。具体地说，当氯浓度上升到0.5 mg/L，在1 h、3 h时，主体水溶液中的活微生物数量变化不大；在6 h时，随着高岭土浓度的升高有缓慢的上升（P=0.001）。在氯浓度为1 mg/L条件下，培养6 h后，高岭土浓度从0增加到20 mg/L时，水中的生物量从（0.632±0.030）×104cells/mL上 升 到（1.373±0.062）×104cells/mL。以上可以看出在氯消毒作用下，高岭土对微生物有保护效果，尤其在氯浓度为1.0 mg/L时比较显著。加入颗粒物后，微生物得以附着在颗粒物表面，形成生物膜，导致了消毒剂在界面处的质量转移受到限制[2]。

2.2 高岭土对微生物胞外聚合物分泌的影响

图1 高岭土浓度对活菌数量的影响

图2为不同氯浓度及高岭土浓度下水中微生物分泌的胞外聚合物。在氯浓度为0 mg/L时，随着高岭土浓度的升高，胞外多糖（PS）的分泌量也随之上升。如在6 h时，高岭土投加量为0，胞外多糖分泌量为（1.71±0.15）μg/mL；高岭土投加量为20 mg/L，胞外多糖分泌量为（2.15±0.05）μg/mL。当消毒剂浓度上升到0.5 mg/L时，胞外多糖的分泌量随时间和高岭土投加量都没有较大变化。当氯浓度上升到1.0 mg/L，胞外多糖的分泌量随时间的推移和高岭土投加量的增加都会增长。具体地说，在1 h时，当高岭土投加量从0 mg/L升高到20 mg/L时，胞外多糖分泌量从（0.63±0.04）μg/mL上升到（0.99±0.03）μg/mL；在6 h时，高岭土投加量为0，胞外多糖分泌量为（0.74±0.04）μg/mL，高岭土投加量为20 mg/L，胞外多糖分泌量为（1.20±0.04）μg/mL。

在无消毒剂和低消毒剂（0.5 mg/L）时，胞外蛋白（PN）的分泌量随时间和高岭土投加量基本没有变化。在氯浓度为1 mg/L时，胞外蛋白的分泌量随时间的推移和高岭土投加量的增加都会增长。具体地说，在1 h时，高岭土投加量为0 mg/L，胞外蛋白分泌量为（1.34±0.08）μg/mL；高岭土投加量为20 mg/L，胞外蛋白分泌量为（2.03±0.28）μg/mL；在6 h时，高岭土投加量为0 mg/L，胞外蛋白分泌量为（1.70±0.01）μg/mL；高岭土投加量为20 mg/L，胞外蛋白分泌量为（2.66±0.10）μg/mL。

以上可以看出高岭土促进了胞外多糖和胞外蛋白的分泌。微生物在消毒剂存在的情况下分泌胞外蛋白被认为是一种潜在的应激反应。如硫酸盐还原菌在环境胁迫下会增加胞外聚合物的分泌量，且其中胞外蛋白所占比重高于胞外多糖，在细菌外部形成保护膜，从而将有毒物质隔绝开[3]。Sheng等人[4]也发现胞外蛋白有抵御外界有毒物质的能力。

图2 高岭土浓度对胞外聚合物分泌的影响

3 结论

在氯消毒作用下，高岭土会通过促进微生物胞外聚合物的分泌对饮用水中的微生物起到保护效果，且在氯浓度为1.0 mg/L时较为显著。