水中細菌ATP熒光檢測影響因素實驗研究

王秋華，許元龍，王璐璐，張衛(wèi)風

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

飲用水輸布過程中，微生物會利用水中營養(yǎng)物質(zhì)生長繁殖，形成的生物膜會保護致病菌，嚴重威脅飲用水安全[1]。ATP熒光檢測法作為水中細菌含量的主要評價方法[2-6]，具有快速、廉價、操作簡單，且可在低水平下檢測(濃度為1 ng/L的ATP不需濃縮，可直接檢測)的優(yōu)勢，因而具有廣闊的應用前景[7-9]。Van等采用ATP、AOC等多個指標測定慢沙過濾后成品水的微生物生長潛力，發(fā)現(xiàn)ATP與AOC相關(guān)性良好[10]。

本文主要研究了發(fā)光反應條件、水質(zhì)條件和試劑存放條件對測試結(jié)果的影響，以期可更好地利用ATP發(fā)光檢測技術(shù)確定飲用水的生物穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

FeSO4、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、(NH4)2SO4、NaCl、NaAc·3H2O均為分析純；螺旋菌NOX(Spirillumsp.)，購自北納生物微生物菌種保藏中心；ATP可檢測試劑，由BacTiter-GloTMBuffer和BacTiter-GloTMSubstrate的混合液組成；GLOMAXTM20/20檢測試劑，購自 Promega 公司。

GLOMAXTM20/20發(fā)光檢測儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 2 000 μg/L碳當量培養(yǎng)液的配制 2 000 μg/L碳當量的培養(yǎng)液配方見表1。按照配方溶解藥品，并定容到1 L。將培養(yǎng)液分裝到200 mL的錐形瓶中，每瓶10 mL，在115 ℃滅菌20 min。

表1 2 000 μg/L碳當量的培養(yǎng)液配方

1.2.2 細菌培養(yǎng)液制備 將NOX菌落接種到 2 000 μg/L 碳當量的培養(yǎng)液中，37 ℃恒溫培養(yǎng) 16 d，低溫4 ℃冷藏保存3個月，作為細菌培養(yǎng)液。

1.2.3 實驗方法 利用GLOMAXTM20/20發(fā)光檢測儀測試ATP指標。測試結(jié)果有兩種表達方式。其中一種方式是ATP產(chǎn)生的熒光相對發(fā)光強度RLU；另一種方式是通過測試已知量的ATP標樣的相對發(fā)光強度，將測試樣發(fā)光強度轉(zhuǎn)換成ATP物質(zhì)的量(nmol/L)。本文采用RLU值表示ATP。

1.2.3.1 常規(guī)檢測方法 室溫條件下，按照說明要求將BacTiter-GloTMBuffer和BacTiter-GloTMSubstrate兩種測試試劑混合。取定量配好后的測試試劑，加入樣品混合5 min后的讀數(shù)，即是所測相對發(fā)光強度(RLU)值。

常規(guī)ATP檢測，發(fā)光試劑與樣品的發(fā)光反應時間需要5 min，才會得到穩(wěn)定的相對發(fā)光強度讀數(shù)。讀數(shù)并不影響發(fā)光反應進行，所以為了盡量縮短ATP測試時間，將試劑與水樣混合后直接采用間隔5 s連續(xù)讀數(shù)的方式。本實驗采用改進的ATP檢測方法。

1.2.3.2 改進ATP檢測方法 如上配好試劑并加樣后，立即將混合液放入儀器中連續(xù)讀數(shù)，設置間隔5 s，連續(xù)手動讀數(shù)模式，記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)光反應條件的影響

25 ℃條件下，分別將 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 μL 原菌液與50 μL檢測試劑在1.5 mL的滅菌離心管中混合，立即放入GLOMAXTM 20/20發(fā)光檢測儀進行檢測，得到1.5 μL和2.5 μL原菌液測試發(fā)光反應到穩(wěn)定期的兩條數(shù)據(jù)記錄曲線(圖1)，和發(fā)光反應5 s結(jié)果(圖2，第1次讀數(shù)結(jié)果)與發(fā)光最大值(圖3，發(fā)光穩(wěn)定期內(nèi)，在每組連續(xù)6次讀數(shù)中，當?shù)谝粋€讀數(shù)為最大值時，即將其定為最大值)結(jié)果的兩條標準曲線。

圖1 細菌培養(yǎng)液ATP熒光檢測結(jié)果

由圖1可知，菌液添加量為1.5 μL樣品的相對發(fā)光強度在前3次讀數(shù)過程中快速上升至 7 418 RLU，隨后上升速度減緩，并于第8次讀數(shù)時開始穩(wěn)定在8 501 RLU左右。菌液添加量為2.5 μL樣品的相對發(fā)光強度在前3次讀數(shù)中迅速增至 11 761 RLU，隨后增加趨勢減緩，并于第9次讀數(shù)后穩(wěn)定在 13 482 RLU 附近。雖然菌液量不同，但相對發(fā)光強度的變化趨勢與達到穩(wěn)定的時間均相似，即ATP試劑與樣品的發(fā)光反應初期發(fā)光強度迅速變大，反應到達一定程度后，發(fā)光強度基本保持恒定。

同一次測試的結(jié)果得到圖2、圖3兩條菌量與ATP相對發(fā)光強度標準曲線。圖2是根據(jù)5 s讀數(shù)建立的，圖3是根據(jù)最大值讀數(shù)建立的。結(jié)果表明，雖然發(fā)光反應初期光強增長劇烈，但對其發(fā)光強度與菌量間的相關(guān)性影響很小。即使發(fā)光反應僅有 5 s 時，其相對發(fā)光強度值和細菌量的標準曲線的R2值仍達到0.979 04，5 s讀數(shù)能夠在一定程度上表征細菌量，并且使ATP測試時間顯著縮短。圖3是根據(jù)最大值建立的細菌量與ATP相對發(fā)光強度值的標準曲線，其R2值為0.993 89。通過比較5 s發(fā)光值(圖2)和最大發(fā)光值(圖3)與細菌ATP的標準曲線，發(fā)現(xiàn)最大值標準曲線的擬合度更好，更能準確反應ATP相對發(fā)光強度與菌量的關(guān)系。

圖2 5 s發(fā)光值與接種菌液量擬合結(jié)果

圖3 最大發(fā)光值與接種菌液量擬合結(jié)果

2.2 水質(zhì)條件的影響

水質(zhì)三個類型分別是純水(JC)、龍頭水(L)及細菌培養(yǎng)液(J)。對于龍頭水的測試，采用接菌龍頭水(JL)減去接種前龍頭水(L)數(shù)據(jù)的方法，去掉龍頭水原本所含細菌的量的影響，即為折算接菌龍頭水(JL-L)。每種水質(zhì)重復實驗3次。對于接菌純水和接菌龍頭水，水樣與其所加細菌培養(yǎng)液的比值為200 μL∶10 μL，ATP檢測試劑與加樣的比值為 50 μL∶50 μL；對于不接菌龍頭水，ATP檢測試劑與加樣的比值為50 μL∶50 μL；對于細菌培養(yǎng)液，ATP檢測試劑與加樣的比值為50 μL∶2.5 μL；每種水樣的檢測設3次重復。這樣的試驗設計，保障了龍頭水、純水及細菌培養(yǎng)液每次檢測樣本的菌量都為 2.5 μL 細菌培養(yǎng)液，其檢測結(jié)果對應的是相同的細菌菌量。結(jié)果見表2。

表2 水樣ATP熒光檢測活力結(jié)果

由表2可知，3次重復測試結(jié)果的變化幅度龍頭水為106 RLU，接菌龍頭水為1 568 RLU，接菌純水為963 RLU，細菌培養(yǎng)液為528 RLU，表明所測樣品中細菌活力的穩(wěn)定性由強到弱依次是龍頭水>細菌培養(yǎng)液>接菌純水>接菌龍頭水。未接菌龍頭水和細菌培養(yǎng)液的測試結(jié)果變化幅度相對較小，兩者所含細菌都是經(jīng)過長期生長穩(wěn)定后的狀態(tài)，細菌的活力基本保持在穩(wěn)定值范圍內(nèi)。而接菌龍頭水和接菌純水的變化幅度都較大，說明細菌進入新的生長環(huán)境后，其生長活力會發(fā)生變化，變化幅度與水質(zhì)因素有關(guān)系。

此外，表2列出了各水樣ATP檢測的平均值，其中接菌龍頭水(JL)為 18 534 RLU，折算接菌龍頭水(JL-L)為 16 524 RLU，接菌純水(JC)為 23 609 RLU 及細菌培養(yǎng)液(J)為13 820 RLU。雖然折算接菌龍頭水、接菌純水及細菌培養(yǎng)液所測樣品中的細菌含量相同，但三種水樣的測試結(jié)果卻有明顯差異。接菌龍頭水未減去本身所含細菌量時，其測試值就明顯小于接菌純水的測試值，這證明并不是龍頭水本身所含菌量導致上述明顯差異。并且相比于接菌龍頭水和折算接菌龍頭水，接種純水與細菌培養(yǎng)液間的差異更大。可知水質(zhì)對ATP檢測結(jié)果會有明顯影響，并且純水對其影響的程度要大于龍頭水。分析導致這個現(xiàn)象的原因，應是細菌接種到新環(huán)境中，其能量代謝系統(tǒng)受到營養(yǎng)條件變化的影響，從而導致細菌ATP量發(fā)生變化。

2.3 試劑存放條件的影響

檢測試劑采用BacTiter-GloTMBuffer和BacTiter-GloTMSubstrate的混合液，室溫下使用。現(xiàn)配試劑與連續(xù)使用試劑(25 ℃，光照2 d)對不同濃度菌液進行ATP熒光檢測，結(jié)果見圖4。

圖4 不同試劑存放條件的ATP熒光檢測結(jié)果

由圖4可知，在接種1 μL菌液條件下，采用連續(xù)使用的檢測試劑所得檢測結(jié)果為6 057 RLU，而采用現(xiàn)配試劑的檢測結(jié)果為 10 453 RLU，相差 4 396 RLU。隨著接種量的增加，兩種試劑的檢測差值由4 396 RLU增加至13 787 RLU，即連續(xù)使用的試劑檢測結(jié)果比現(xiàn)配試劑檢測結(jié)果低了40%～50%。表明室溫有光條件下，長時存放檢測試劑會顯著降低ATP熒光檢測的發(fā)光強度，導致錯誤判斷飲用水中生物量。考慮到檢測試劑的發(fā)光能力在連續(xù)使用中會衰變，建議檢測樣本的同時，定時利用標樣建立標準曲線，依據(jù)曲線的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將每個時段所測的相對發(fā)光強度換算為ATP物質(zhì)的量，以ATP物質(zhì)的量作為生物量指標。

3 結(jié)論

研究了檢測發(fā)光時間、水質(zhì)條件及試劑存放條件對ATP熒光檢測準確性的影響。在25 ℃條件下，采用5 s間隔連續(xù)讀數(shù)方式，記錄最大值作為測試結(jié)果。這種讀數(shù)方式既可以節(jié)省測試時間，又能夠保證測試準確性。測試時若需要稀釋，稀釋用的溶劑會在一定程度上干擾測試結(jié)果。不同水質(zhì)會導致ATP測試結(jié)果的差異，這個發(fā)現(xiàn)對于研究水質(zhì)生物穩(wěn)定性具有一定意義。鑒于ATP試劑會因存放條件而衰變，在一定時間和溫度條件下，增加對ATP標樣相對發(fā)光強度的檢測，將相對發(fā)光強度轉(zhuǎn)化成ATP物質(zhì)的量，并以此作為生物量的表征指標。