章鑫鑫，韦长林，王树东
合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009
摘要：饮用水系统中存在大量的颗粒物质，不仅导致饮用水浊度和色度增加，同时为水中微生物的附着聚集提供载体，威胁饮用水水质安全。文章通过对相关文献的分析和总结，为控制饮用水系统中微生物的生长提供技术支持，以保障饮用水供水水质安全。
关键词：颗粒物；附着聚集；微生物
饮用水系统中存在消毒剂、贫营养和水流波动，但微生物仍普遍存在，其中大部分附着在颗粒物或管壁表面聚集生长以抵抗不利的栖息环境[1]。微生物聚集生长是其与栖息环境之间相互作用的结果，是其主动或被动调节以及应对外界环境的生理行为响应。饮用水系统中还存在大量的颗粒物，水中的颗粒物不仅导致水体浑浊，造成感官上不舒适，且能够吸附多种致病微生物和很多有机物，特别是“三致”性有机物，这些颗粒物还可能会为微生物提供物理屏障。在消毒剂环境中，水中微生物通常附着于颗粒物以躲避消毒剂的灭活，进而促进管壁生物膜的形成。与不附着的、自由游动的微生物相比，附着或被颗粒包裹的微生物聚集体或微生物表现出更强的抗氯失活能力[2]。
1. 饮用水中颗粒物
水源水经过净水厂的处理，饮用水中仍含有一定量的颗粒物。原水中的颗粒物经过过滤过程并不能完全清除，未滤去的颗粒物会进入供水管网。Brazos对使用活性炭过滤的水厂进行的研究表明，废水中含有活性炭粉末，而来自生物过滤器的砂砾铝或铁絮凝剂和生物颗粒也会进入水中[3]。管道的破裂、修理和倒虹吸负压等会使外部土壤颗粒进入水中，导致管网中颗粒物含量增加。同时，由于水中的物理、化学以及生物作用，管道本身能够形成悬浮颗粒物。物理作用包括小颗粒的沉淀和大颗粒的絮凝，这些颗粒能够形成管道沉积物，沉积物转化为悬浮颗粒后，以推移质的形式不断移动。在生物膜形成过程中，细菌分泌的EPS等物质会对管道造成腐蚀，进而导致化学成分以颗粒物的形式溶到水中，这是一种典型的化学作用过程[4]。最常见的生物作用过程是主体水或管道中由于存在可同化有机物而形成生物膜。颗粒物不仅本身可以成为水污染物，还可以与微污染物相互作用，为其提供载体，进而促进微污染物在水中的迁移、转化以及循环归宿。
饮用水中的颗粒物对水处理和城镇供水带来复杂影响。首先，悬浮颗粒不仅导致水体浑浊，引起饮用水浊度和色度增加，造成用户感官不舒适。第二，由于颗粒物比表面积大，吸附能力强，水体中重金属离子和有机物等各种化学污染物易积聚在颗粒物表面，如果不能有效去除这些物质，饮入会对人体产生毒害作用，危害公众健康[5]。颗粒物吸附的有机、无机化合物能够和消毒剂发生反应，加速消毒剂的衰减，造成管网末梢的消毒剂残余量不稳定，同时提高了致病菌以及病毒的存活几率，造成水中微生物指标上升。第三，颗粒物质会限制消毒过程，其在一定程度上可能会为微生物提供物理屏障，细菌与颗粒物结合形成聚集体，从而可以抵抗残留消毒剂的影响[6]。
2 颗粒物与细菌的交互作用
2.1 颗粒物对细菌的保护作用
尽管饮用水存在残留消毒剂，但微生物仍可在消毒水中存活。这可能部分归因于颗粒物的保护作用，颗粒物可以为微生物提供物理屏障，进而保护其躲避残留消毒剂的影响。Herson等报道，附着在铁锰颗粒上的阴沟肠杆菌失活率为98%，而未附着的细胞失活率为99.5%，说明颗粒物对氯消毒反应（1.45 mg/L,1 h）的保护作用[7]。一些研究表明，在颗粒物存在的情况下，氯的失活动力学受到损害。研究发现，当氯浓度为10 mg/L时，从饮用水分配系统获得的细菌（聚集或附着在悬浮颗粒上）与未附着的细菌相比，存活率增加10倍[8]。细菌附着在颗粒物表面对自身生长有许多优势。第一，细菌附着在固体表面可促进细胞的生长。尤其是在养分匮乏的环境中，如果溶液的养分浓度过低，将不能维持悬浮细菌的生长繁殖。沉积在矿物表面的有机质和其他营养物质可以增加固液界面部分营养物质的浓度，进而促进附着细菌的生长繁殖。第二，细菌吸附在颗粒表面形成生物膜后，其可以为细菌带来多种保护作用。
2.2 微生物对颗粒物的影响
作为自然界中最活跃的物种，细菌不仅具有转化和传递能量的功能，而且对物质形态的转化和晶体结构的变化有着重要的影响。对于铁矿物，黄铁矿的晶体结构在微生物的作用下可以转变为针铁矿、磁铁矿以及赤铁矿等。这种转变是由化学溶解和沉淀以及细菌生物化学引起的。普遍存在的细菌自身能够富集铁，促进多种铁矿物出现氧化还原、溶解和沉淀反应，形成不同类型铁矿物，造成矿物性质的改变，对土壤以及水体的化学特征产生重大影响[9]。细菌和矿物的交互作用在自然界中普遍存在，在环境中起着重要的作用。存在于细菌表面的多种酸性官能团，通过静电吸引能够与各种矿物结合，尤其是铁、铝、氢氧化物等具有高电荷零点的矿物。
3 微生物的附着聚集
微生物聚集生长是其与栖息环境之间相互作用的结果，是其主动或被动调节以及应对外界环境的生理行为响应。Tang等的研究发现微生物聚集是其细胞有意识的行为，通过聚集来保护自身抵抗外来风险[10]。微生物形成聚集体后，其生长速度、基因转移以及对抗生素的耐受程度等各种特性都有可能发生改变，这些改变能够提高微生物抵抗恶劣环境的能力，增加其抗压性能。同时，在聚集体内部，溶质可以形成浓度梯度，从而为包含于其中的某些微生物提供有利的生存条件。
微生物的聚集生长现象广泛存在于污水处理厂、饮用水管道、人体肠道呼吸道以及医疗器械表面上，不仅威胁公众健康，在工业生产中也是一个难以解决的问题。如饮用水中管壁生物膜中的生长，不仅造成饮用水浊度、色度升高，加速管道腐蚀，而且某些条件致病菌会伴随着生物膜的形成进行扩散，提高饮用水的致病风险[11]。此外，医学健康上也遭受着生物膜的侵害，不仅鼻窦炎、肺炎、中耳炎等疾病与生物膜相关[12]，慢性伤口上细菌生物膜的形成也增加了治疗难度。医疗器械上生物膜的滋生，也造成医疗器械难以清洗充分。除了这些不利的影响，微生物的附着聚集行为也带来一些正面的利用价值。如污水处理中的好氧活性污泥、生物膜法等，利用微生物附着聚集吸附有机物来达到净化污水的目的[13]。生物膜技术在河流水质的修复上的应用也十分广泛，常见的有排水沟的接触氧化法、生物活性炭填充柱净化法以及生物坝等。
除此之外，生物膜在纳米结构构筑领域也有一定的应用价值。
4 研究分析与目标
为符合饮用水水质标准，饮用水在输配水环节中需维持低营养、一定消毒剂浓度，以抑制微生物再生长。尽管如此，饮用水系统中微生物普遍存在，其主要以自聚集的方式来面对这一恶劣环境（附着在颗粒物表面或以生物膜形式存在）。由于水中存在表面张力，有机营养物质和未被杀死的细菌会在管壁表面吸附，可以形成利于微生物生存的相对较高营养浓度和较低消毒剂浓度环境，进而促进微生物形成稳定的生物膜。管壁生物膜中细菌的生长繁殖不仅影响输配水的水质，导致饮用水浊度和色度的恶化，同时还会加速管道的腐蚀。而当生物膜脱落时，生物膜中的微生物会再次被释放到水体中，引起饮用水的微生物学指标下降。
与不附着的、自由游动的微生物相比，附着或被颗粒包裹的微生物聚集体或微生物表现出更强的抗氯失活能力[2]。细菌在悬浮颗粒物或管壁表面的附着聚集会造成一系列危害，如导致饮用水浊度和色度增加，加速管道表面的腐蚀，进而威胁饮用水水质安全。本文通过对微生物在颗粒物的附着聚集程度以及颗粒物对其的保护作用相关文献的分析和总结，表明饮用水可通过减少管悬浮颗粒物量来控制给水管网微生物的生长繁殖，对控制水中微生物的生长具有重要意义。
5 结论与展望
给水管网颗粒物的存在，不仅造成感官不适，而且携带致病性微生物和有机物，降低自来水的安全卫生程度，除此之外，还能为微生物提供物理屏障，使其逃避消毒，造成饮用水存在微生物学安全隐患。分析微生物在颗粒物的附着聚集程度以及颗粒物对其的保护作用，表明可通过减少管悬浮颗粒物量来控制给水管网微生物的生长繁殖，为保证饮用水安全供水提供技术支持。本文虽然表明可以通过减少颗粒物量来控制饮用水中微生物的生长，但仍然不够广泛和全面。影响饮用水中微生物生长的因素包括流速、营养条件、消毒剂种类及浓度、温度、浊度、颗粒物种类及粒径大小等多种因素，而本文仅就颗粒物因素进行了分析，具有局限性，因而，文章还可以从流速、营养条件、消毒剂种类及浓度、温度等多方面分析，为控制微生物生长和保障饮用水水质提供更全面的理论指导。
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