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(yàn)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(duì)于飲用水過程中細(xì)菌的VBNC 狀態(tài)研究相對(duì)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(duì)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(cè)技術(shù)的發(fā)展以及誘導(dǎo)因素對(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)外已陸續(xù)報(bào)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(bào)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)變大并稍微伸長(zhǎng)。

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(cè)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(duì)外界脅迫因子的抗性增強(qiáng)。 VBNC 狀態(tài)的副溶血性弧菌對(duì)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(duì)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(duì)水質(zhì)安全和人類健康造成潛在危害。 利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-PCR)技術(shù)檢測(cè)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(cè)結(jié)果顯示,VBNC 狀態(tài)細(xì)胞中未檢測(cè)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(cè)方法

細(xì)菌進(jìn)入VBNC 狀態(tài)后會(huì)喪失可培養(yǎng)性,常規(guī)平板計(jì)數(shù)法無法對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè),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(cè)方法。

目前尚未報(bào)道能夠直接檢測(cè)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(duì)總菌、活菌和可培養(yǎng)菌進(jìn)行定量計(jì)數(shù),當(dāng)可培養(yǎng)菌數(shù)明顯小于活菌數(shù)時(shí),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(jì)數(shù)法獲得,由此可見關(guān)鍵在于對(duì)活菌數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定。

目前針對(duì)活菌數(shù)量的檢測(cè)主要使用由Kogure等[15]最初采用的活菌直接計(jì)數(shù)法(direct viable counting,DVC),而部分革蘭氏陽性菌對(duì)萘啶酮酸的抗性會(huì)導(dǎo)致觀察效果不好。 為進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,LIVE/DEAD 試劑盒檢測(cè)法、流式細(xì)胞儀檢測(cè)法、免疫學(xué)法等檢測(cè)手段陸續(xù)得到發(fā)展和應(yīng)用。近年來,實(shí)時(shí)熒光定量PCR 法(quantitative real-time PCR)、疊氮溴化丙錠聯(lián)合實(shí)時(shí)熒光定量PCR 法(PMA-qPCR)、核酸探針等分子生物學(xué)檢測(cè)手段也被用于VBNC 狀態(tài)的檢測(cè)[16]。 上述幾種VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測(cè)方法的對(duì)比如表2[17]所示。 由于單一檢測(cè)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(yàn)證的方式來提高檢測(cè)精確度。

表2 VBNC 狀態(tài)細(xì)菌檢測(cè)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(yíng)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(yíng)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(yíng)養(yǎng)缺乏

營(yíng)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(duì)寡營(yíng)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(duì)于水源性細(xì)菌影響相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(hào)分子鳥苷五磷酸或鳥苷四磷酸[(p)ppGpp]對(duì)細(xì)胞分裂轉(zhuǎn)錄和翻譯等生理過程進(jìn)行調(diào)控。 在營(yíng)養(yǎng)缺乏的條件下,被激活的核糖體蛋白R(shí)elA 和胞質(zhì)蛋白SpoT 能夠合成 (p)ppGpp 信號(hào)分子,(p)ppGpp 通過抑制外切聚磷酸酶(PPX) 對(duì)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(zhǎng),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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(hào)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(yíng)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(duì)應(yīng)地,通過提高培養(yǎng)溫度、添加某些營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并升溫培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)低溫寡營(yíng)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(yàn)室條件下成功復(fù)蘇。由此可見,該過程并不是簡(jiǎn)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(hào)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(zhǎng)和復(fù)蘇[28]。

目前針對(duì)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(gè)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(zhǎng)信號(hào),促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)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(zhǎng)[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(zhǎng)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(hào)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(hào)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(duì)細(xì)菌VBNC 狀態(tài)的影響

相關(guān)報(bào)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(huì)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(duì)于細(xì)菌VBNC 狀態(tài)形成和復(fù)蘇的影響,對(duì)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(duì)全尺寸飲用水處理廠中致病菌VBNC 狀態(tài)的檢測(cè)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(bào)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(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡,對(duì)水中微生物具有一定的控制作用。 同時(shí)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?yàn)榧?xì)菌提供更多的生態(tài)位,同時(shí)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(huì)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(duì)VBNC 狀態(tài)的誘導(dǎo)作用。 表層細(xì)菌由于長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和O2,易形成寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,并導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量降低[36],營(yíng)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(duì)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(huì)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(duì)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(yíng)養(yǎng)物含量不足及生長(zhǎng)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(huì)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(duì)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(duì)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(jì),改進(jìn)底部砂墊層的組成及厚度,強(qiáng)化對(duì)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(duì)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(gè)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?xiàng)l件對(duì)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(cè)方法,避免致病菌的“漏檢”,保障供水安全。