加氯水对膜污染特性和微生物的影响及控制方法

环境工程

水处理技术

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工程

（

2022

）

154

研究

环境工程

文章

加氯水与地表水引起的膜污染的生物污染特性及微生物研究

Li Zhang

，

，Lei Xu

，

，Nigel Graham

，Wenzheng Yu

，

中国科学院生态环境科学研究中心环境水化学国家重点实验室，北京

100085

中国科学院大学，北京

100049

英国伦敦帝国理工学院土木与环境工程系，南肯辛顿校区，伦敦

SW7 2AZ

阿提奇莱因福奥

文章历史记录：

收到2020年

2020年12月1日修订

2021年3月5日接受

在线预订2021年

关键词：

膜污染生

物膜

GDM

过滤技术

耐氯菌

亲水性

A B S T R A C T

氯通常用于城市水处理过程中，以灭活病原体和预防水传播疾病。作为预处理，目前尚不清楚氯化水是否可以

有效地减轻超滤（UF）过程中的膜污染。在这项研究中，自来水进行了调查，其对生物膜的形成和生物污垢的

重力驱动膜（GDM）过滤系统的影响。为了比较，生物膜/生物污垢与未经处理的表面（湖）水进行了平行研

究。结果发现，更严重的膜污染发生与过滤自来水比湖水，和更大量的多糖和胞外DNA（eDNA）存在于自来

水生物膜比在湖水生物膜。自来水生物膜具有致密的形态。相比之下，观察到的湖水生物膜，这被认为是与生

物膜中的细菌的多孔，蜘蛛状的16S核糖体RNA（rRNA）测序证实了这一假设，这表明，

黄曲霉

是自来水生

物膜中的优势类群。膜的疏水/亲水性对膜污染特性和微生物群落的影响较小。本研究揭示了耐氯细菌在生物污

染形成中的重要作用，并提供了对膜污染的更深入了解，这可能有助于有助于寻找控制膜污染的有效方法

高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章

（

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

）中找到。

介绍

安全和充足的饮用水的供应在世界范围内变得越来越有限，特别

是在发展中国家的偏远地区

[1]

。偏远、分散的社区和落后的交通基

础设施使得难以提供和维持足够的安全供水。在这些偏远地区，地表

水，包括河流和湖泊，污染较少

;

因此，它们可以作为饮用水的来

源，采用不太密集的处理方法。膜过滤技术，特别是超滤（

）膜

技术

[2]

，是一种用于水净化和饮用水生产的成熟且通用的方法

[3]

。

膜可以通过尺寸排阻拦截悬浮固体、胶体和细菌，因为孔径（约

100kDa

）小于这些典型的超滤膜

通讯作者。

电子邮件地址：

leixu@rcees.ac.cn

（

L. Xu

），

wzyu@rcees.ac.cn

（

W. Yu

）。

污染物[4]。此外，水可以通过具有低跨膜压力的UF膜，这可以通过重

力驱动布置来实现[5，6]。

重力驱动膜（GDM）过滤技术在处理灰水[7，8]、废水[9]、雨水[10]

和海水预处理中得到了

[11]由于其能耗极低，无反冲洗，流量稳定。在GDM过滤系统中，生物

膜的积累起着重要的调节作用.首先，可渗透的生物污垢层充当次级膜[6]

并保持通量稳定性[5]。其次，它降解有机物质[8，12]。关于至关重要

的生物污损层的研究与与关键参数（例如，给水[5]、曝气剪切应力

[13]、生物控制[14]和营养限制[15]）对生物膜形态与过滤性能之间的联

系[2]进行了研究，旨在揭示生物膜的性质，从而有效地控制其积累。在

进水的影响中，溶解性有机物（DOC）的浓度起着重要的作用，并与水

质呈负相关。

https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.016

由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于

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张丽

，

N.Graham

等

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膜过滤系统的渗透通量[5]。然而，这方面需要进一步调查。

微生物产物和缓慢生物降解产物

[13

，

16]

是生物膜基质中的

主要成分

[17]

。微生物在生物污损中起着关键作用因此，可以通过控

制微生物的生长来减轻生物结垢。氯在世界范围内普遍用于饮用水和

废水处理，以杀灭病原体并预防水传播疾病

[18

然而，目前还不清楚

是否可以显着减轻膜污染的氯化水。由于存在较少的微生物，预期较

少的膜生物污染然而，一些微生物物种是耐氯的，这些细菌对膜污染

的贡献仍然是未知的。此外，膜的疏水

亲水性质是膜应用和性能的

关键参数

[22]

。它影响膜过滤过程中有机物的分离性能和选择渗透性

[23]

。由于截留有机物的疏水性和亲水性的差异，不同的细菌群落可

以存活并形成不同的生物膜，从而影响过滤性能。然而，尽管其意

义重大，但相关研究仍然有限。

此外，

Flemming

和

Wingender[24]

报道生物膜是微生物的聚集

体细胞经常嵌入在胞外聚合物（

EPS

）的自生基质中，这表明对细

菌的研究也是识别和调节生物污损的不可缺少的要求即使在同一个反

渗透膜净水厂，各隔室之间的细菌群落也不同，膜污染也不同

[25]

。

等人

[26]

还发现，尽管进料水相同，但当采用不同的过滤配置

时，生物膜微生物存在差异这些研究表明，生物膜细菌群落是动态

的，复杂的，需要考虑作为一个重要方面在调查生物污损。

本研究从实际出发，选择了具有代表性的自来水（典型的氯化

水，

DOC

含量低（（

2.920± 0.011

）

mg L

-1

））和湖水（未经任何

预处理的普通地表水，

DOC

含量高（（

6.440 ± 0.039

）

mg L

-1

））

作为原水。因此，对于生活在城市中的人们来说，公共自来水通常

在净化之前用作饮用水。然而，对于生活在偏远地区的人们来说，

可用的水源通常是地表水，例如湖水。此外，本研究还比较了两种

类型的超滤膜，即聚偏氟乙烯（

PVDF

）和聚醚砜（

PES

）超滤膜，

以研究膜的疏水性

亲水性是否影响所形成的生物膜的性质此外，生

物膜的性质，包括形态，功能基团，和基质成分，进行了研究，以

阐明这些过滤系统的生物污垢

characterione

特别考虑了生物膜中的

细菌群落和多样性，更重要的是，它们的生物污损机制。

材料和方法

2.1.

反应堆的建造建设和运营

研究中使用了两种类型的水（去除余氯后的自来水和湖水）

;

从当

地供水系统采集的自来水和从中国北京奥林匹克公园湖泊采集的湖水

样本。自来水的来源为北京一号。

水处理厂出水经

1.2

1.8mg·L-1

的

氯化消毒后，

5小时自来水中余氯浓度为0.07

在静置至少24 h（以使氯消失）后，在

实验中使用自来水。每隔一天收集一次水，并储存在一个 2 L容

器。附录A表S1）给出了两种水的质量，其中自来水的有机物浓度相对

较低，而湖水则由各种有机物组成。此外，两种类型的UF膜（北京分

离设备有限公司，有限公司、中国）用于比较：PVDF和PES。每个膜

具有约25 cm

的过滤面积和IOOkDa的分子量截留（MWCO），对应于

7-8 nm。三个GDM系统在40 mbar（1 bar = 10

Pa;Appen-Appen A

Fig. S1）的恒定压头下以死端模式并行运行32 d。这些系统被表示为自

来水-PVDF、湖水-PVDF和湖水-PES。在过滤过程中，每天记录渗透

通量，并根据附录A补充材料和方法中提供的方法进行计算。在操作结

束时，取出三个平行过滤系统中的膜上的生物膜并制备用于分析，如以

下章节所述。

2.2.

原水、滤液和生物膜

高效尺寸排阻色谱法（ HPSEC ）

用于确定有机物的分子量

（

）分布。使用二元高效液相色谱（

HPLC

）泵（

Waters

1525

，

USA

）进行

HPSEC

，该泵包含

BioSep-SEC-S3000

柱（

7.8

mm × 300 mm; Phenomenex

，

USA

）、固定有

GFC-3000

圆盘

（内径

4mm

）的安全保护柱、

200

系列泵、在

254 nm

波长下操作的

光电二极管阵列检测器（

Waters 2998

，

USA

）和自动进样器

（

Waters 2707

，

USA

）。流动相为

10 mmol L

-1

乙酸钠溶液（在测

量之前，将流动相设定为

2 mL min

-1

的流速以纯化柱。基线稳定

后，运行样品以获得准确的结果。根据使用适当标准品溶液获得的校

准数据获得

曲线。所有样品在仪器分析之前通过

0.22

过滤器

为了测量生物膜中的有机物，测量约

0.25cm

的

切割每个生物膜，并在5mL离心管中用2mL的1%磷酸盐缓冲溶液溶

解。在80 °C水浴中加热20分钟之前，将混合物涡旋约2小时。此后，转

移1.5 mL混合物取上清液，加入新的无菌2 mL离心管中，10000 r

min

-1

离心2 min，收集上清液进行测定。选择每个生物膜的相同面积的

三个样品用于HPSEC测量。

2.3.

原水、滤液和生物膜

用Hitachi F-4600荧光分光光度计（日本）进行激发 - 发射矩阵

（EEM）荧光光谱，以研究原水、滤液和生物膜中蛋白质或腐殖酸样物

质的存在。激发（Ex）波长在200-450 nm的范围内，发射（Em）波长

在250 - 550 nm之间，并且在两种情况下带通均为5 nm。为了减少来自

颗粒的干扰，在EEM分析之前，使用0.45μm针式过滤器过滤水样品。

此外，使用MATLAB软件进行并行因子（PARAFAC）分析。

张丽

，

N.Graham

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2.4.

滤液中亲水性和疏水性有机物的表征

通过使用 Superlite DAX-8树脂（ Supelco， USA ）和 Amberlite

XAD-4（Rohm and Hass，USA）分离并分级为三组：强疏水性物质

（被DAX-8吸附）、弱疏水性（或透亲性）物质（被XAD-4吸附）和亲

水性物质（透过DAX-8和XAD-4树脂），分析了膜中的亲水性和疏水性

有机物质。在分析之前，将树脂用甲醇和去离子水洗涤数次以确保它们

不含有机物质，如DOC测量所示。将样品水的pH调节至

2.0

，然后通过

DAX-8

树脂（以

5 mL min

-1

的速率），然后通过

XAD-4

吸收柱（以

15 mL min

-1

）。根据

DAX-8

和

XAD-4

树脂前后的

DOC

值，确定三种不同组分的浓度使用总有机碳分析仪（

TOC-V

，

Shimadzu

，

Japan

）测定

DOC

值

2.5.

生物膜

zeta

电位和接触角的测定

使用电固体表面分析仪（SurPASS 3，Anton Paar，Austria）测

量生物膜的ζ电位，并使用接触角计（Dataphysics，Germany）测定

生物膜的接触角。对于后者，选择五个随机位置进行测量，并连续记录

值超过200 s。

2.6.

生物膜的扫描电镜和原子力显微镜分析

通过冷冻干燥和在表面上喷涂金属来制备用于

SEM

（

S- 4800

，

Hitachi

）分析的生物膜和膜的样品此后，从表面和横截面上取下图

像以揭示生物膜的三维（

）形态。

为了阐明生物膜粗糙度和物质的分布模式，进行AFM分析。具体

地，使用具有ScanAsyst空气尖端的PeakForce Tapping模式的Bruker

Dimension Icon ScanAsyst （ FASTSCANBIO ， Bruker ，

Germany）获得三种生物膜的AFM显微照片。以0.1-0.3 Hz范围内的

扫描速率和8 - 15 nN之间的峰值力设定点采集扫描（10l m 10lm）。

在数据不确定的情况下，捕获并检查跟踪和回扫扫描。此后，使用

NanoScope分析软件1.8使每个图像变平并清洁以去除扫描缺陷。此

外，使用相同的软件进行颗粒分析，并使用Origin 2018软件（Elec-

tronic Arts Inc.，美国）。

2.7.

生物膜的傅里叶变换红外（

FTIR

）光谱测试

为了鉴定生物膜中的特定官能团，进行FTIR（Spectrum Two，

PerkinElmer，USA）分析。此外，进行FTIR绘图（Spotlight 400）

以视觉显示生物膜中的物质。在所有情况下（三种生物膜）生物膜样品

的长度和宽度设定为500μm，空间分辨率为6.25μ m 6.25lm.以反映

综合生物膜中物质的分布，每个生物膜捕获至少三个图像。

2.8.

生物膜的共聚焦激光扫描显微镜（

CLSM

）图像

然后使用双面胶带粘贴到玻璃盖玻片上。染色在一个黑暗环境

g·mL

-1

异硫氰酸荧光素（

FITC

，

二氨基-2-苯基吲哚（DAPI;对每个生物膜进行间歇染色和冲洗，染色程

序持续30分钟，然后用磷酸盐缓冲液冲洗;重复数次。通过CLSM（TCS

SP 5，Leica，Germany）观察盖玻片上蛋白质、多糖和eDNA的存在

[31使用具有相应Ex和Em波长的三个使用ImageJ软件（USA）处理通

过CLSM获得的z

2.9.

分子实验与生物信息学分析

应用高通量测序技术提供关于生物膜中细菌群落的详细信息选择

16S

核糖体

RNA

（

rRNA

）

区域作为扩增子，认为其在结构域和门

水平上产生最大的多样性

[35]

。使用蛋白酶

和基于十二烷基硫酸钠

的裂解

[36]

，从面积约为

6.25 cm

的

生物膜中提取

DNA

，并根据制造

商的方案用

DNA Clean and Concentrator-25 Kit

（

Zymo

Research

，

USA

）纯化此后，通过紫外（

）光谱法在

230

、

260

和

280 nm

波长下评价

DNA

质量（吸光度：

260 nm/280 nm

，

~ 1.8;

260 nm/230 nm

，

> 1.8

），使用

NanoDrop-1000

分光光度计检测

（

NanoDrop Technologies

，

USA

），并通过

0.8%

琼脂糖凝胶电泳

评估

DNA

完整性。最后，将整个

DNA

储存在

20°C

下直到聚合酶链式

反应（

PCR

）扩增。

用通用引物扩增16SrRNAV4

区域，含有

正向

引物

515 F

（

-GTGCCAGCMGCCGCGG

TAA-3

）

和反

向引物806 R

（

-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-

）

[35]

。

添加条形码

以

区分不同

的

样品，并使用具有GC缓冲液的高保真PCR主混合物（New

England Biolabs，USA）进行扩增。经过一系列在反应[37]中，产生

PCR产物;因此，将一式三份PCR产物合并并使用1%琼脂糖凝胶电泳可

视化。此外，用GeneJET PCR 纯化试剂盒（ Thermo Scientific，

USA ）纯化 PCR 产物，使用 Qubit dsDNA HS 测定试剂盒

（Invitrogen，USA）定量，并以等摩尔浓度合并用于随后的测序。使

用Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns（Ion Torrent，USA）制

备样品文库，并在Novogene Bioinformatics Institute使用单端方法用

Ion S5

XL测序仪（Thermo Scientific）测序。此后，将正向和反向读

段连接并基于条形码分配给不同的样品。修剪每个读段结束时的引物序

列和条形码。丢弃具有不明确碱基、长度小于100 bp或平均质量评分小

于20的任何连接序列。与参考数据集（Greengenes数据库

）[38]相

比，从干净序列中删除嵌合序列。只有有效序列用于进一步分析。因

此，使用UPARSE流水线[39]以97%核苷酸相似性的截止值将序列聚类

为操作分类单位（OTU），并使用核糖体数据库项目分类器以0.8的置

信阈值对每个OTU的代表性序列进行分类学分类[40]。

新鲜的生物膜与膜固定用

2.5%

甲醛，

从过滤系统中取出后立即排出，

http://greengenes.secondgenome.com。

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