一，引言
消毒是水處理工藝流程中的一個(gè)重要處理單元，常見(jiàn)的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等.但氯消毒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生三氯甲烷、鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物，而臭氧消毒、紫外線消毒則因成本高、維護(hù)費(fèi)用和能量損耗大而使應(yīng)用受到限制.20世紀(jì)50年代，電化學(xué)法開始被研究用于水的消毒，該方法具有環(huán)境友好、安全、效率高、處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此，受到越來(lái)越多的關(guān)注.
電化學(xué)消毒體系中，微生物的滅活機(jī)理包括電場(chǎng)的直接作用、電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生自由氯組分的作用和活性基團(tuán)的作用.目前對(duì)電化學(xué)消毒影響因素的研究較多，除了電極材料和電化學(xué)反應(yīng)器形式外，反應(yīng)的操作條件，如電流密度、pH值、電解質(zhì)組成等也是不容忽視的因素.電化學(xué)消毒能夠有效殺滅水中的大腸桿菌、MS2噬菌體、隱性孢子蟲等，但其對(duì)水中某些高風(fēng)險(xiǎn)微生物，如抗生素抗性菌的滅活研究則較少.
因此，本研究通過(guò)對(duì)模式大腸桿菌的滅活試驗(yàn)，優(yōu)化電化學(xué)消毒系統(tǒng)的參數(shù)和操作條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察電化學(xué)消毒法對(duì)四環(huán)素抗性大腸桿菌的滅活效果及其抗性變化，從而為電化學(xué)消毒方法的評(píng)價(jià)提供支持.
二，材料與方法
2.1 水樣與抗生素儲(chǔ)備液配制
試驗(yàn)所用模式菌株分別為大腸桿菌(E.coli CGMCC 1.3373)和四環(huán)素抗性菌(E.coli CGMCC 1.1595)，購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院菌種保藏中心.用營(yíng)養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基(蛋白胨10 g · L-1，牛肉浸出粉3 g · L-1，氯化鈉5 g · L-1)在37 ℃、160 r · min-1下培養(yǎng)16~24 h，10000 r · min-1離心10 min后，將菌體再懸浮于含0.05% NaCl的去離子水中，使水樣中模式菌濃度約為106 CFU · mL-1.
配制濃度為800 mg · L-1的青霉素、氯霉素和四環(huán)素儲(chǔ)備液，并進(jìn)行過(guò)膜除菌，具體配制方法見(jiàn)表 1. 將抗生素儲(chǔ)備液避光保存于-20 ℃冰箱內(nèi)，保存時(shí)間不超過(guò)1周.
表1 抗生素儲(chǔ)備液的配制濃度及方法
2.2 電化學(xué)消毒裝置
本研究構(gòu)建了4套電化學(xué)消毒小試裝置，每套裝置均由消毒槽、直流穩(wěn)壓電源、電極板組成.消毒槽為長(zhǎng)方體，有機(jī)玻璃材質(zhì)，消毒槽內(nèi)部左右兩側(cè)分別固定有陰極和陽(yáng)極電極板.4套裝置電極板面積均為50 mm×50 mm，極板間距分別為30、50、70、90 mm.陰極采用不銹鋼板，陽(yáng)極分別采用釕銥涂層、鉛涂層和銥鉭涂層的鈦電極板.系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源(深圳兆信電子儀器設(shè)備廠，RXN-605D)，電壓范圍0~55 V，電流0~3 A.
2.3 消毒試驗(yàn)條件
為探究裝置參數(shù)對(duì)消毒效果的影響，在連續(xù)流條件下，分別改變陽(yáng)極極板材料和極板間距，在相同消毒條件下考察電化學(xué)裝置對(duì)大腸桿菌CGMCC 1.3373的滅活效果.一般采用對(duì)數(shù)去除率，即消毒后微生物存活率倒數(shù)的對(duì)數(shù)值(以10為底)表示滅活效果，如對(duì)數(shù)去除率2對(duì)應(yīng)的滅活率為99%.在確定比較佳裝置參數(shù)后，進(jìn)一步考察pH、水溫和NaCl濃度等水質(zhì)條件對(duì)大腸桿菌CGMCC 1.3373電化學(xué)消毒特性的影響.比較后，考察電化學(xué)裝置對(duì)四環(huán)素抗性菌CGMCC 1.1595的滅活效果及對(duì)其抗性的影響.具體試驗(yàn)條件如表 2所示.
表2 電化學(xué)消毒試驗(yàn)條件
2.4 分析方法
水樣中的大腸桿菌和四環(huán)素抗性菌濃度采用平板培養(yǎng)法測(cè)定.用磷酸緩沖鹽溶液(Phosphate Buffered Saline，PBS)以10倍梯度稀釋水樣，取1 mL不同倍數(shù)的稀釋液加入培養(yǎng)皿(Φ90 mm)中，加入10 mL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(蛋白胨10 g · L-1，牛肉膏粉3 g · L-1，氯化鈉5 g · L-1，瓊脂15 g · L-1)，搖勻凝固后，倒置放于37 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24 h，計(jì)所有菌落數(shù)，用單位體積水樣的菌落形成單位(CFU · mL-1)表示細(xì)菌濃度.每次測(cè)定設(shè)2個(gè)平行樣.
為了表征四環(huán)素抗性菌的抗性變化，用含一定濃度抗生素(青霉素、氯霉素和四環(huán)素的濃度分別為16、32、16 mg · L-1)的營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基測(cè)定四環(huán)素抗性菌濃度，用所得結(jié)果與普通培養(yǎng)基測(cè)定結(jié)果之比(N抗性培養(yǎng)基/N普通培養(yǎng)基)表示四環(huán)素抗性菌抗性.該比值越高，表示抗性越強(qiáng).
三，結(jié)果與討論
3.1 不同裝置參數(shù)對(duì)消毒效果的影響
3種不同陽(yáng)極電極板對(duì)普通大腸桿菌的電化學(xué)滅活效果如圖 1所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整電極板之間的電壓和電流，保證在相同的電功率下進(jìn)行消毒.由圖 1可以看出，釕銥涂層鈦電極板的效果明顯好于鉛涂層和銥鉭涂層鈦電極板，因此，在后續(xù)的試驗(yàn)中采用釕銥涂層鈦電極板作為反應(yīng)器的極板.電化學(xué)消毒機(jī)理包括電場(chǎng)直接作用滅菌、電解產(chǎn)生自由氯滅菌和電解產(chǎn)生羥基自由基等強(qiáng)氧化性物質(zhì)滅菌等.研究發(fā)現(xiàn)，電解產(chǎn)氯對(duì)消毒效果的貢獻(xiàn)較大.為了探究不同陽(yáng)極板消毒效果的差異，進(jìn)一步測(cè)定不同電極板在消毒20 s時(shí)產(chǎn)生的余氯量，結(jié)果如圖 2所示.由圖 2可知，釕銥涂層鈦電極板在消毒20 s后產(chǎn)生的余氯明顯高于鉛涂層和銥鉭涂層鈦電極板，該結(jié)果表明釕銥涂層鈦電極板產(chǎn)氯效率高是其消毒效果好的重要原因.
圖1 陽(yáng)極電極板材料對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響
圖2 不同陽(yáng)極電極板材料產(chǎn)生余氯對(duì)比
進(jìn)一步考察不同電極板間距對(duì)電化學(xué)消毒效果的影響，結(jié)果如圖 3所示.由圖 3a可知，在流量相同且電功率相同的條件下，極板間距為50 mm時(shí)，電化學(xué)消毒效果比較好.由圖 3b可知，在停留時(shí)間相同，即流速相同的條件下，極板間距30 mm與間距50 mm的裝置消毒效果類似，而極板間距為50 mm裝置在相同時(shí)間內(nèi)處理水量是間距為30 mm裝置的1.7倍.綜上可知，極板間距為50 mm的裝置消毒效果比較好.
圖3 電極板間距對(duì)普通大腸桿菌對(duì)數(shù)去除率的影響(a.不同流量下的電化學(xué)滅活效果;b.不同停留時(shí)間下的電化學(xué)滅活效果)
3.2 水質(zhì)條件對(duì)消毒效果的影響
在其他影響因素相同的條件下，分別改變pH、溫度、NaCl濃度等水質(zhì)條件，考察以上因素對(duì)電化學(xué)消毒效果的影響，結(jié)果如圖 4所示.
圖4 pH(a)、溫度(b)和NaCl濃度(c)對(duì)大腸桿菌滅活效果的影響
從圖 4a可以看出，隨著pH值的增加(5.0~7.0)，電化學(xué)法對(duì)大腸桿菌的滅活效果隨之降低，滅活率下降，表明在酸性條件下電化學(xué)消毒的效果較好.這可能是因?yàn)樵谒嵝詶l件下，電化學(xué)法產(chǎn)生的氯氣能有效溶解在水中，形成殺菌效果較好的HClO.而在堿性條件下，會(huì)形成較多的ClO-，殺菌效果較差.
從圖 4b可以看出，隨著溫度的升高(10~30 ℃)，電化學(xué)法對(duì)大腸桿菌的消毒效果顯著增強(qiáng).這可能是由于溫度升高，電化學(xué)反應(yīng)速度加快，相同時(shí)間內(nèi)氯氣等活性消毒成分產(chǎn)量增加的緣故.
從圖 4c可以看出，電化學(xué)消毒系統(tǒng)對(duì)大腸桿菌的對(duì)數(shù)去除率隨NaCl濃度升高而增加.當(dāng)NaCl濃度為0.01%時(shí)，消毒15 s時(shí)對(duì)數(shù)去除率僅有1.7，而當(dāng)NaCl濃度上升至0.05%和0.10%時(shí)，消毒15 s時(shí)大腸桿菌的對(duì)數(shù)去除率分別增大到5.2和6.5.這是因?yàn)樗蠳aCl濃度越高，單位時(shí)間內(nèi)電化學(xué)作用產(chǎn)生的氯氣越多，對(duì)微生物的殺滅作用也越強(qiáng).
與氯消毒相比，電化學(xué)消毒體系產(chǎn)生的電場(chǎng)直接作用能導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜分解或發(fā)生電穿孔現(xiàn)象，從而使自由氯進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的能力大大提升，可能使得在相同氯劑量下的電化學(xué)消毒效果要好于氯消毒.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3.3 電化學(xué)法對(duì)四環(huán)素抗性菌的滅活及對(duì)其抗性的影響
在相同電化學(xué)消毒條件下，比較了電化學(xué)法對(duì)普通大腸桿菌CGMCC 1.3373和四環(huán)素抗性菌CGMCC 1.1595的滅活效果，結(jié)果如圖 5所示.從圖 5可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，電化學(xué)法對(duì)四環(huán)素抗性菌的去除率明顯低于普通大腸桿菌.在本試驗(yàn)體系中，電化學(xué)法產(chǎn)生的氯氣對(duì)細(xì)菌起重要的消毒作用.Allard等的研究顯示，pBR322上tet(A)表達(dá)的細(xì)胞膜上的橫跨膜蛋白具有疏水性.因此，可以推測(cè)四環(huán)素抗性菌其細(xì)胞膜上的橫跨膜蛋白數(shù)量多，從而使得整個(gè)細(xì)胞膜的疏水性增加，這保護(hù)了細(xì)胞不受氯的氧化和氯化，從而降低了氯消毒對(duì)四環(huán)素抗性菌的滅活率.從另一角度來(lái)講，也就是四環(huán)素抗性菌可能具有更高的電化學(xué)消毒耐受能力.
圖5 電化學(xué)法對(duì)普通大腸桿菌和四環(huán)素抗性大腸桿菌的滅活效果對(duì)比
四環(huán)素抗性菌經(jīng)過(guò)不同時(shí)間電化學(xué)消毒后，消毒耐受菌株在3種抗生素培養(yǎng)基中的存活率如圖 6所示.隨著消毒停留時(shí)間的增加，消毒耐受的抗性大腸桿菌在四環(huán)素、青霉素、氯霉素培養(yǎng)基中的存活率呈先下降后上升的趨勢(shì).四環(huán)素抗性菌的抗性與消毒后細(xì)胞膜受損傷程度和細(xì)胞個(gè)體抗性水平的差異等因素有關(guān)，由于缺乏進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同消毒時(shí)間下其抗性變化的原因有待進(jìn)一步深入研究.
圖6 電化學(xué)消毒對(duì)四環(huán)素抗性菌抗性的影響
4 結(jié)論
1)電化學(xué)裝置陽(yáng)極采用釕銥涂層鈦電極板，且極板間距為50 mm時(shí)，相同能耗下對(duì)大腸桿菌的滅活效果比較好.
2)在pH值為5~9、水溫10~30 ℃、NaCl濃度為0.01%~0.10%的條件下，電化學(xué)消毒法對(duì)大腸桿菌的滅活率隨水的pH升高而降低，隨水溫和NaCl濃度升高而升高.
3)在相同消毒條件下，電化學(xué)法對(duì)抗生素抗性大腸桿菌的滅活率顯著低于普通大腸桿菌.消毒后存活抗性菌對(duì)四環(huán)素、青霉素、氯霉素的抗性隨消毒時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先下降后上升的規(guī)律.
