研究背景
饮用水消毒通常分为两个阶段：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能持久残留而被广泛运用。但氯胺不可避免的释放NH4+-N可能会促进管网中硝化作用及相关的氨氧化细菌（AOB）的污染。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。实验室博士生郑仕侃基于该研究背景，从实际水环境中分离AOB（Nitrosomona eutropha），系统探究了不同氯胺消毒阶段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。这一工作已发表在Water Research（2024, 254, 121452）。
第一作者：郑仕侃
通讯作者：于鑫 教授，叶成松 博士后（特任副研究员）
通讯单位：厦门大学环境与生态学院
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121432
成果介绍
本研究从实际环境水体中自分离出一株AOB（Nitrosomona eutropha），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。
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ROS水平稳定，呈现氯胺耐受表型。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2）。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3）。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。
图2 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)的表达情况。以未经初级消毒处理的N. eutropha作为对照。
图3 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。
