哈尔滨工业大学（深圳）王爱杰团队WR：低出水颗粒物浓度下 (<10 mg/L) 紫外消毒受限原因解析

图文摘要

成果简介

近日，哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院王爱杰教授团队与北京景盛达环保科技有限公司合作研究，在环境领域著名学术期刊 Water Research 上发表了题为“ Why the disinfection efficiency of ultraviolet radiation may become unsatisfactory at low suspended solid concentrations: The mechanism of extracellular polymeric substances secretion induced by different particles ”的论文 。针对实际污水消毒过程中悬浮颗粒物浓度达标，但偶然发生大肠杆菌等微生物仍然超标的问题，对污水厂消毒上游工艺关联机制，以及不同上游工艺的颗粒物类型对紫外消毒影响进行解析。研究揭示了低悬浮颗粒物浓度下，颗粒的不同特性影响了附着在颗粒表面微生物的胞外聚合物（ EPS ）分泌和生物膜结构，进而导致生物膜内细胞对紫外线辐射的不同响应。揭示了上游工艺中如金属颗粒的存在对后续过程中微生物聚集和抵抗紫外消毒有着的潜在积极影响。通过讨论紫外线消毒实际污水处理过程面临的潜在问题，对上游应用磁混凝、加砂沉淀、砂滤等工艺的污水厂提出了进一步降低 SS 浓度标准或更高的紫外线辐射剂量的建议。本研究为现行应用标准下有效的紫外线消毒提供了实验依据 。

引言

与臭氧和氯消毒相比，紫外辐射（ ultraviolet radiation ， UV radiation ）过程不会产生消毒副产物，降低了环境风险，是一种更安全和更经济的消毒方式。 UV 消毒一方面可以通过损伤 DNA 或 RNA 来灭活细菌，另一方面则可以利用产生的活性氧物种（ reactive oxygen species ， ROS ）来破坏细胞结构。紫外线需要照射到细胞才能发挥作用，所以 UV 消毒需要保持足够的紫外线透光率，因此保持低 悬浮颗粒物（ Suspended solid ， SS ）浓度是 UV 消毒的 必要条件。中国（ 10 mg/L ）、美国（ 30 mg/L ）和欧盟（ 35 mg/L ）都制定了严格的进入消毒设施的 SS 标准。但是在 SS < 10 mg/L 的情形下， UV 效果不达标的问题时有发生，导致 UV 不得不与其他消毒方式联用。因此，通过解析低 SS 浓度下微生物抗 UV 消毒的机制，可以对 UV 的有效利用提供指导。微生物可以附着在颗粒表面，并分泌细胞外聚合物（ EPS ）形成聚集体，因此颗粒和微生物之间的相互作用，而不是颗粒本身，更有可能阻碍 UV 消毒效率。 EPS 的变化可能是低 SS 浓度抗 UV 消毒机制的核心。为了减少占地面积，取消砂滤，采用磁混凝和加砂沉淀作为生化处理出水的深度处理技术应用越来越普遍。上述工艺运行过程中会有少量的磁粉和沙粒随着水流进入 UV 工艺中，引起了后续紫外消毒的干扰。本研究选择磁性混凝剂和加载澄清的细砂作为两种典型颗粒，从细胞和生物膜的角度对不同颗粒的抗失活机制进行研究。颗粒与微生物之间的相互作用是微生物在低 SS 浓度紫外线辐射下存活的关键得到证明。颗粒特性对 EPS 分泌的影响，以及 EPS 在紫外线辐射下对微生物的保护机制得到阐释 。

图文导读

UV 抗失活的关键因素的确定

图 2 ：排除颗粒本身对紫外线辐射灭活的影响。 (a) 不同 SS 浓度下不同颗粒的紫外线透射率。 (b) 添加或不添加磁性混凝剂对低 SS 浓度 (10 mg L ^-1 ) 下微生物生长的影响。 (c) UV 照射后大肠杆菌 ( E. coli ) 在 LB 固体培养基上的存活结果： (c-1) 无颗粒和无 UV ； (c-2) 无颗粒， (c-3) 沙子组， (c-4) 磁性混凝剂组。 (d) E. coli 和 (e) S. aureus 的 CFESEM 图片：无 UV 的 (d-1) E. coli 和 (e-1) S. aureus ，有 UV 且没有颗粒的 (d-2) E. coli 和 (e-2) S. aureus ，有 UV 且有颗粒的 (d-3) E. coli i 和 (e-3) S. aureus 。

对颗粒的一般特征（浓度、大小以及作为生物载体促进微生物生长和繁殖的作用）对 UV 消毒效果的影响进行排除，并证实了微生物与颗粒之间的相互作用是关键因素。在 10 mg L ^-1 的条件下，磁性混凝剂和沙子的紫外线透射率分别为 94.41% 和 98.40% （图 2a ），这意味着紫外线辐射几乎可以完全穿透反应器。 颗粒可能是微生物生长的载体，图 2b 显示，有无颗粒组之间的 OD600 没有显著差异（ p=0.98>0.05 ），表明在较低的 SS 浓度下颗粒存在不会促进微生物的生长和繁殖。 磁性混凝剂和砂的中粒粒径分别为 29.24 μm 和 206.86 μm ，理论上砂的抗 UV 效果应优于磁性混凝剂。然而，磁性混凝剂组的存活大 E. coli 群落数量最多（ 28 ），其次是沙子（ 10 ）和无颗粒（ 4 ）（图 2c ），表明粒径不是限制灭活效率的关键因素。在不同条件下 E. coli 和 S. aureus 的 CFE SEM 图像中（图 2d ），颗粒上更密集的微生物簇的出现也支持了 EPS 对细胞的保护。

不同颗粒特性对 EPS 分泌和生物膜形成的影响

图 3 ：不同条件下 EPS 的分泌、生物膜的形成以及对微生物的保护作用。不同颗粒条件下 UV 照射前 LB-EPS 和 TB-EPS 中的 (a) 多糖和 (b) 蛋白质含量。 (c) 基于相同生物膜厚度所需的理论 EPS 含量和 (d) 对应于相同 EPS 含量的理论生物膜厚度 ( 基于相同的 EPS 密度 ) 的理论计算。 (e) EPS 在砂和磁性混凝剂中的 FTIR 光谱。

在 10 mg L ^-1 SS 下，磁性混凝剂与砂的体积比为 0.33:1 ，而总 EPS 中蛋白质含量的比例为 0.72:1 ，表明磁性混凝剂单位体积颗粒上的生物膜厚度较厚。磁性混凝剂在碰撞、腐蚀和微生物利用过程中可能产生的金属离子（ Fe ²⁺ 和 Al ³⁺ ）有助于提高细胞本身的 EPS 结构稳定性。磁性混凝剂上的 TB-EPS 中更多的多糖有利于细胞接近和聚集 （图 3a ），并抵消蛋白质引起的排斥多糖。多糖的亲水性使得更多的水分子可以结合形成水合聚合物网络，扩展 TB-EPS 结构同时保留 Al ³⁺ 。沙子的表面积较大导致相同数量的微生物形成的生物膜较薄。高蛋白质含量可能会引起细胞间强烈的排斥（图 3b ）。蛋白质主要作为生物膜骨架，以增强沙子上细胞 - 细胞间的连接。沙子上形成的生物膜结构更松散。

3275 cm ^-1 （ O-H ）和 1625 cm ^-1 （ C=O ）较高强度支持了磁性混凝剂诱导更多多糖产生（图 3g ）。 O-H 和 C=O 的峰值向较小的波数移动证明了氢键的形成。 O-H 作为助色团可以显著增强 C=O 作为发色团的紫外吸收。多糖分泌增加在磁性混凝剂的抗 UV 失活中有着重要作用。

EPS 分泌对紫外线辐射的反应：基于已建立的 EPS 和生物膜结构

图 4 ： UV 照射前后不同颗粒上 LB- 和 TB-EPS 中 (d) 蛋白质和 (e) 多糖的变化。

潜在金属离子对 UV 过程中微生物灭活的影响

图 5 ：不同浓度梯度下 (a) Fe ²⁺ 和 (b) Al ³⁺ 的 ROS 水平。

低浓度 SS 下 UV 过程微生物的抗失活机制

图 6 ： UV 下微生物的抗失活机制。 (a) 不同生物膜厚度范围的 EPS 含量。 (b) 不同生物膜厚度下单位颗粒面积的 EPS 含量。 (c) 颗粒特性影响 EPS 分泌和生物膜结构，导致对紫外线辐射的不同反应。

在磁性混凝剂组中，磁性混凝剂产生的 Fe ²⁺ 和 Al ³⁺ 与 EPS 结合形成更牢固的 EPS 和生物膜结构，减少细胞间连接的蛋白质需求，更多的蛋白质被用来构建细胞的保护层，。磁性混凝剂诱导了更多的多糖分泌，增强紫外吸收。 TB-EPS 中更多的多糖也有利于细胞接近和聚集，细胞间距离缩短。 Al ³⁺ 更容易保留在与 EPS 结合的水中，这有助于降低 ROS 水平。较小的粒径有助于形成较厚的生物膜。磁性混凝剂上的微生物建立了一种由外部多糖主导、内部蛋白质和多糖共同主导的保护机制。

由于沙子的粒径较大，附着在表面的微生物在保护、聚集和生长之间建立了脆弱的平衡。分泌较多的蛋白质被用来构建连接细胞的骨架，密度和厚度被牺牲。单位颗粒面积的 EPS 含量较低（图 6b ）导致对生物膜深处细胞的保护较差。因此，紫外线照射前形成的 EPS 和生物膜结构松散而薄，紫外线穿透是有效的，更易造成细胞损伤和蛋白质分解。

UV 过程中颗粒物对微生物群落影响的实际案例

图 8 ：在真实的污水处理厂中 UV 前后不同颗粒物对微生物群落的影响。 (a) UV 前后，磁性混凝剂和沙子组的紫外线透射率和 SS 浓度， (b) PCoA 分析， (c ) 门和 (d) 纲水平的微生物群落。

PCoA 表明，颗粒类型是微生物群落差异的主要原因（图 8b ）。和 EPS 产生相关的 Patescibacteria 和 Proteobacteria 的高相对丰度表明具有优异 EPS 分泌能力的微生物更有可能在 UV 下存活。 UV 过程中，与生物膜形成相关的 Parcubacteria 在磁性混凝剂的相对丰度从 17.03% 增加到 24.57% ，而早沙子中则从 43.77% 降低到 34.28% 。因此， UV 前在磁性混凝剂上建立的 EPS 层具有更好的保护效果。 Saccharimonadia 可能是糖原积累生物，因此它可能是 EPS 中多糖的来源，因此在 UV 后磁性混凝剂的相对丰度更高。 Verrucomicrobiota 作为碳水化合物降解的重要参与者，可以作为自由移动或附着颗粒微生物生存。在 UV 前后，其在磁性混凝剂上的相对丰度高于沙组。颗粒上的丰度越高，表明微生物附着越有利，并且存在更多的多糖。这些结果表明抗失活机制是适用的。

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UV 过程中，磁性混凝剂作为生物载体，在低 SS 浓度下的主要作用是促使微生物通过 EPS 聚集而非生长，善于分泌 EPS 的微生物更容易在颗粒上黏附生长，为其他微生物提供庇护。不同的颗粒特性影响 EPS 的分泌、单细胞 EPS 结构和生物膜结构，这些结构导致微生物在颗粒上对紫外辐射的反应不同。相比于沙粒，以磁性颗粒为核心的磁性混凝剂表现出对附着于其表面微生物更好的保护作用，但两者都存在 SS 达标情形下 UV 消毒后大肠杆菌过量存活的问题。结合细砂加载澄清、砂滤在污水或给水处理中应用的普遍性，以及磁性混凝剂在水处理过程中的不断推广，这些上游工艺导致的颗粒物遗留会对 UV 消毒效果产生巨大压力，特别是当前 UV 要求的 SS 标准（ 10 mg/L ）和紫外线剂量可能会造成 UV 出水不达标的问题。因此，制定更低的 SS 标准和更高的紫外线剂量可能是 UV 工艺应用的必然要求，尤其是当以四氧化三铁为主的磁粉颗粒存在时往往需要更为严格的标准。

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助。