紫外線劑量對大腸桿菌光復(fù)活的影響

宋孟鑫， 張吉庫， 寧 楠

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽100168)

紫外線消毒具有殺菌快速廣譜、無有害消毒副產(chǎn)物、操作安全方便、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水處理工藝中[1-5]。但是由于缺乏持續(xù)的消毒效果，水中微生物易產(chǎn)生二次光復(fù)活現(xiàn)象，紫外線消毒的應(yīng)用受到限制。因此，如何有效控制紫外線消毒產(chǎn)生的光復(fù)活現(xiàn)象，是當(dāng)前需要解決的問題。孫雯等[6]的研究表明，當(dāng)紫外線劑量為120 mJ/cm2時，大腸桿菌光復(fù)活率比紫外線劑量為5 mJ/cm2時降低了3個對數(shù)數(shù)量級。筆者以大腸桿菌為研究對象，通過改變紫外線強(qiáng)度和輻射時間，分析了紫外線劑量對紫外線消毒后水中大腸桿菌光復(fù)活現(xiàn)象的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)菌種與用水

取2 mL大腸桿菌原液于新鮮的液體營養(yǎng)培養(yǎng)基中，于37 ℃以160 r/min恒溫振蕩、培養(yǎng)24 h，除去上清液后留存?zhèn)溆谩?/p>

試驗(yàn)水樣：取一定量的大腸桿菌溶液，滴加至140 L實(shí)驗(yàn)室自來水中，制成細(xì)菌濃度約為105CFU/mL的試驗(yàn)用水。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用強(qiáng)化導(dǎo)流(DR)型紫外線消毒器，工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig.1 Flow chart of test process

紫外燈選用6支低壓低強(qiáng)度類型燈管，燈管額定功率為20 W，長度為490 mm，通過改變燈管數(shù)量來控制紫外線強(qiáng)度。在側(cè)壁上等距離設(shè)置5個取樣口，取樣分別對應(yīng)不同的停留時間。日光燈管選用3支Led燈管，額定功率為22 W，長度為300 mm。設(shè)置在避光箱內(nèi)，以避免實(shí)驗(yàn)室光照對試驗(yàn)效果的影響。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫外線消毒試驗(yàn)

控制流量計(jì)流量為1.55 m3/h，分別開啟DR型紫外線消毒器的0，2，4，6根紫外光燈管。等待最大停留時間后，從第5取樣口取樣，測定不同紫外線劑量下水樣中大腸桿菌的濃度，計(jì)算大腸桿菌的對數(shù)滅活率。

1.3.2 光復(fù)活試驗(yàn)

將紫外線消毒后的水樣置于完全封閉的遮光箱內(nèi)，在日光燈下40 cm處照射。開啟3根日光燈管，測定光照時間分別為0，2，4，6，8，12，24，48和72 h后水樣中細(xì)菌的濃度，計(jì)算大腸桿菌的對數(shù)光復(fù)活率。

1.4 檢測方法

采用品紅亞硫酸鈉濾膜法檢測大腸桿菌。使用滅菌濾膜過濾器過濾水樣，將大腸桿菌截留在濾膜上。將濾膜放在品紅亞硫酸鈉培養(yǎng)基上，37 ℃下恒溫培養(yǎng)24～48 h后，取出直接計(jì)數(shù)[7]。每組水樣取3個平行樣板，計(jì)數(shù)結(jié)果取平均值。

1.5 評價方法

大腸桿菌紫外線消毒對數(shù)滅活率計(jì)算公式如下[8]：

P=lg(N0/N)

(1)

式中：P為微生物對數(shù)滅活率；N0為紫外線消毒前水中大腸桿菌的數(shù)量，CFU/mL；N為紫外線消毒后水中大腸桿菌的數(shù)量，CFU/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外線強(qiáng)度對大腸桿菌光復(fù)活的影響

當(dāng)紫外線輻射時間為21 s時，將含大腸桿菌的水樣分別經(jīng)過紫外線強(qiáng)度為1.28，2.72和4.42 mW/cm2的紫外線消毒后，在相同復(fù)活光條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 紫外線強(qiáng)度對大腸桿菌光復(fù)活的影響Fig.2 The effect of ultraviolet intensity on photoreactivation of Escherichia coli

由圖2可知，當(dāng)輻射時間一定時，紫外線強(qiáng)度越強(qiáng)，大腸桿菌對數(shù)復(fù)活率越小。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2(紫外線劑量等于26.88 mJ/cm2)時，經(jīng)復(fù)活光光照6 h后，大腸桿菌的光復(fù)活率達(dá)到3.23個對數(shù)數(shù)量級，經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)高達(dá)64.6%，光復(fù)活速率快。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為2.72 mW/cm2(紫外線劑量等于57.12 mJ/cm2)時，經(jīng)復(fù)活光光照12 h后，大腸桿菌的光復(fù)活率為1.46個對數(shù)數(shù)量級，經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)29.2%，光復(fù)活速率較慢。當(dāng)紫外線強(qiáng)度大于4.42 mW/cm2(紫外線劑量大于92.28 mJ/cm2)時，經(jīng)復(fù)活光光照12 h后，大腸桿菌的光復(fù)活率僅為1.16個對數(shù)數(shù)量級，經(jīng)紫外線消毒后的滅活率仍恢復(fù)23.2%，與紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2時相比減少2.72個對數(shù)數(shù)量級，光復(fù)活速率慢；12 h后光復(fù)活速率相較于紫外線強(qiáng)度為1.28 mW/cm2時快。

2.2 紫外線輻射時間對大腸桿菌光復(fù)活的影響

當(dāng)紫外線強(qiáng)度為4.42 mW/cm2時，將含大腸桿菌的水樣分別經(jīng)過7，14 和21 s紫外線消毒。由圖3可以看出，當(dāng)紫外線強(qiáng)度一定時，紫外線輻射時間越長，大腸桿菌對數(shù)復(fù)活率越小。當(dāng)水力停留時間為7 s、紫外線劑量等于30.94 mJ/cm2時，經(jīng)復(fù)活光光照6 h后，大腸桿菌的光復(fù)活率高達(dá)3.08個對數(shù)數(shù)量級，經(jīng)紫外線消毒后的滅活率恢復(fù)61.6%，光復(fù)活速率較快。水力停留時間大于14 s，紫外線劑量大于61.88 mJ/cm2時，復(fù)活光光照12 h后，大腸桿菌的光復(fù)活率為1.24個對數(shù)數(shù)量級，占滅活數(shù)量的24.8%，較水力停留時間為7 s時減小2.57個對數(shù)數(shù)量級，光復(fù)活速率慢；12 h后光復(fù)活速率較水力停留時間為7 s時快。

圖3 紫外線輻射時間對大腸桿菌光復(fù)活的影響Fig.3 The effect of different ultraviolet radiation time on photoreactivation of Escherichia coli

3 試驗(yàn)原理

3.1 紫外線消毒機(jī)理

紫外線對水中微生物的消毒作用，主要是通過C波段紫外線對微生物的輻射，損傷了其體內(nèi)核酸的結(jié)構(gòu)使其致死，由此達(dá)到消毒的效果。核酸在紫外線的作用下，分子上兩個相近的胸腺嘧啶(T)或胞嘧啶(C)之間能夠由共價鍵相連，組成環(huán)丁烷型嘧啶二聚體(T<>T)[9]。紫外線主要通過這種促成環(huán)丁烷型嘧啶二聚體的形成的方式，造成對核酸分子的損傷。

3.2 光復(fù)活機(jī)理

光復(fù)活現(xiàn)象是一種在光作用下的DNA修復(fù)過程，根據(jù)修復(fù)原理不同可分為光修復(fù)和暗修復(fù)。光修復(fù)是在可見光的作用下，因?yàn)槟承┪⑸顳NA內(nèi)存在光復(fù)活酶，使胸腺嘧啶二聚體被解聚成單體，從而恢復(fù)DNA復(fù)制功能的過程。暗復(fù)活修復(fù)是微生物在經(jīng)受紫外線輻射時，因?yàn)镈NA的復(fù)制過程減慢，復(fù)原損傷的時間滯后，使紫外線損傷在有效時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)修復(fù)的過程。

在水的消毒過程中暗修復(fù)現(xiàn)象較少發(fā)生，主要考慮光復(fù)活現(xiàn)象的DNA光修復(fù)。光復(fù)活現(xiàn)象分兩步進(jìn)行：第一步，DNA光復(fù)活酶特異性地結(jié)合到含T<>T的DNA上，在光照條件下，向T<>T二聚體轉(zhuǎn)移一個電子，生成了光復(fù)活酶-二聚體的化合物；第二步，光復(fù)活酶-二聚體的化合物在光解作用下釋放光復(fù)活酶，逆解二聚體使其單體化[10]。

4 結(jié)論

① 經(jīng)紫外線消毒后的大腸桿菌會在一定的復(fù)活光照射條件下，產(chǎn)生光復(fù)活現(xiàn)象，光復(fù)活能力受紫外線劑量大小影響。

② 當(dāng)輻射時間不變時，紫外線強(qiáng)度越強(qiáng)，大腸桿菌光復(fù)活率越小。當(dāng)強(qiáng)度不變時，紫外線輻射時間越長，大腸桿菌光復(fù)活率越小。

③ 提高紫外線劑量有利于控制大腸桿菌的光復(fù)活程度，較高紫外線劑量輻射下的大腸桿菌，其光復(fù)活程度顯著低于較低紫外線劑量輻射下。

④ 經(jīng)較高紫外線劑量輻射后的大腸桿菌，其產(chǎn)生光復(fù)活現(xiàn)象的時間顯著滯后于較低紫外線劑量。