近日，我院水处理与水质安全团队于鑫教授课题组在Water Research上发表了题为“Biofilm formation and antioxidation were responsible for the increased resistance of N. eutropha to chloramination for drinking water treatment”的研究论文。本论文系统探究了不同氯胺消毒阶段中氨氧化细菌（AOB）的耐受特征及响应机制，为管网中AOB的持久性赋存机理和控制策略提供了科学依据。
研 究 背 景
饮用水消毒是降低微生物风险，保障水质安全的有效策略。饮用水消毒过程通常分为两个阶段：第一阶段在水厂投加较高剂量的消毒剂灭活微生物；第二阶段在管网系统中保证一定低剂量的消毒剂残留抑制微生物生长。目前，氯胺消毒由于具有较强的杀菌效果及在管网残留持久而被广泛运用。然而，氯胺消毒管网存在由氨氧化细菌（AOB）主要介导的硝化作用，AOB的赋存将加速氯胺衰减，进而导致微生物二次生长及管网腐蚀等风险，威胁饮用水安全。
研究表明即使高剂量的氯胺消毒也难以完全抑制管网中AOB。因此，了解AOB在管网内的氯胺耐受特征及其响应机制，对AOB的有效管控至关重要。
图文摘要
研 究 结 果
本研究首先从实际环境水体中自分离一株典型AOB（Nitrosomona eutropha 亚硝化单胞菌），模拟两阶段消毒（氯胺消毒及氯胺残留）处理，探究AOB在氯胺消毒过程中的赋存特征和响应机制。结果表明，与大肠杆菌（E. coli）相比，N. eutropha对一氯胺具有更强的抗性，其灭活速率常数比E. coli低19.4倍（图1），分析原因是AOB中高水平的蛋白类胞外聚合物（EPS）会降低其膜通透性，有助于AOB在初级消毒中存活并进入管网系统（图2）。
图1 氯胺对N.eutropha与E. coli的灭活。（a）E. coli / N. eutropha的灭活动力学模型拟合；（b，c）细菌的活死比；（d-i）流式细胞仪图像。
图2 氯胺消毒过程中EPS含量变化。（a）PN与PS含量；（b）PN/PS；氯胺处理前后EPS的FTIR；（c）E. coli和（d）N. eutropha。
在氯胺残留阶段，即使连续暴露于高浓度氯胺（0.5~1.5 mg/L）三天，N. eutropha的呼吸活性仍维持较高的水平，其胞内活性氧（ROS）水平稳定（ROS水平是细胞正常生理功能和环境因素导致细胞损伤的重要信号），呈现氯胺耐受表型（图3）。RT-qPCR分析表明，N. eutropha耐受机制涉及细胞内氧化应激调控基因（sodB，txrA）和脂肪酸代谢、膜蛋白组分相关基因（NE1545，NE1546）的显著高表达（图4）。
图3 不同残留氯胺浓度暴露3天后，N. eutropha（a）呼吸活性和（b）胞内ROS水平。以未经初级消毒处理的N. eutropha作为对照。
图4 不同残留氯胺浓度暴露3天后N. eutropha细胞中氧化应激基因（sodB , trxA）和脂肪酸代谢，蛋白相关基因( NE1545，NE1546)表达情况。以未经初级消毒处理的N. eutropha作为对照。
此外，基于XDLVO理论的粘附预测，本研究佐证了AOB会增强EPS分泌，促进生物膜的形成趋势（图5）。
图5 基于XDLVO理论，不同一氯胺浓度下N. eutropha与聚苯乙烯表面的相互作用能剖面图（a~e）。GSwm < 0 kT，有利于细菌的粘附。以未经初级消毒处理的N. eutropha作为对照。
综上，细菌自身的EPS特征有助于AOB在初级消毒中的存活，而存活的N. eutropha抗氧化能力和生物被膜形成增强是其对残留氯胺耐受性增强的原因。
小结：
（1）N. eutropha在氯胺初级消毒过程中更易于存活，主要归因于其EPS中较高的蛋白/多糖比和类酸性基质特征，它们导致N. eutropha的细胞膜通透性较低，衰减了消毒剂的作用效果；
（2）氧化应激相关基因的上调是存活N. eutropha对管网氯胺残留耐受增强的原因，它们调控了N . eutropha胞内ROS保持在较低的水平；
（3）XDLVO理论证实N. eutropha较高的EPS分泌量有利于生物膜的形成。
研 究 团 队
本论文的通讯作者为我院于鑫教授和叶成松博士后，第一作者为我院2020级博士生郑仕侃。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委，国家资助博士后研究人员计划，及中国博士后科学基金会的支持。
文、图 | 郑仕侃
责任编辑 | 于鑫
排版 | 曾鹏
