氯对紫外线灭活枯草芽孢杆菌协同作用研究

氯对紫外线灭活枯草芽孢杆菌协同作用研究

张永吉 ,刘文君
（清华大学环境科学与工程系, 北京 100084）

　　摘要: 以枯草芽孢杆菌为研究对象，研究了紫外线和氯单独及联合作用时的灭菌效果。研究结果表明，单独氯消毒时，对枯草芽孢杆菌的灭活效果很低，CT值为300mg·min/L时，灭活率仅为0.53个对数级，单独紫外线消毒对枯草芽孢杆菌有较好的灭活效果，紫外线剂量为40mJ·cm-2时，对其有3.3个对数级的灭活效果；紫外线和氯联合消毒时，对枯草芽孢杆菌的灭活效果大大增强，当紫外线剂量为40mJ·cm-2，氯投量为300mg·min/L时，灭活率可达6.2个对数级，高于二者单独作用效果之和。紫外线与氯的作用顺序对消毒效果有明显影响，以先紫外线照射然后再加氯的效果最好。通过Berenbaum公式计算可知，紫外线与氯联合灭菌是协同作用，随着紫外线剂量及氯投量的增加，协同作用增强。
　　关键词: 紫外线; 氯; 消毒; 枯草芽胞杆菌; 协同作用

Research on synergistic disinfection of Bacillus subtilis by UV irradiation plus chlorine

ZHANG Yong-ji ,LIU Wen-jun
（Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Peking 100084, ）

Abstract : The inactivation effect of Bacillus Subtilis was studied in the article, both UV irradiation and chlorine disinfection individual and combined application process was examined with laboratory water samples. Results showed that only 0.53 log10 reduction by chlorine CT of 300mg·min/L, UV irradiation was more effective compared with chlorination, UV dose of 40mJ·cm-2 resulted in 3.3 log10 reduction. Up to 6.2 log10 reduction were achieved with a UV dose of 40 mJ·cm-2 followed by chlorine CT of 300mg·min/L. The calculation from the Berenbaum formula verified that the effect on reducing the bacteria is synergistic effect of the combined applications of UV irradiation and chlorine.

Key words: ultraviolet irradiate; chlorine; disinfection; bacteria; Bacillus subtilis; synergism

　　氯消毒工艺用于饮用水消毒已经有近百年的历史，在保护人体健康方面发挥了重要的作用。但由于氯消毒会产生对人体健康具有危害作用的三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物^[1]，并且对一些具有抗氯性的原生动物如贾第虫、隐孢子虫等的杀灭效果很低，人们开始寻求消毒效果好，更加安全可靠的替代消毒技术^[2]。紫外线消毒由于消毒效果好、不需要投加化学药剂、绿色环保等优点近些年来备受人们的关注。由于紫外线消毒在环保及人身安全方面的突出优点，欧洲及北美的许多国家将UV消毒列为用水终端（POU）和用户进水端（POE）及小型给水系统中的首选方法。尤其是自从发现自来水中存在隐孢子虫以后，美国已经将紫外消毒工艺作为自来水消毒的最佳手段写入供水法规中^[3]。在国外，应用紫外线消毒的水厂越来来越多，近些年来我国也有一些水厂采用或正拟采用紫外线进行自来水的消毒^[4]。
　　水中的一些微生物对紫外线具有较强的抵抗能力，枯草芽孢杆菌通常被用来作为一些难于被消毒剂杀死的微生物的代表，如有研究将枯草芽孢杆菌替代贾第虫、隐孢子虫来研究消毒剂的消毒效果。对于这种采用一种消毒剂难以灭活的微生物，通常采用协同消毒的方式对其进行灭活，如臭氧协同氯、氯胺或者二氧化氯协同氯及氯与一些金属离子的协同消毒，取得了较好的效果^[5-10]。而目前的研究主要集中在紫外线单独对微生物的灭活效果，而研究氯对紫外线灭活水中难灭活微生物的影响的研究还较少，本文对紫外线和氯单独及联用的作用效果及作用的方式进行了探讨。

1．试验材料与方法

1.1 试验水样
　　枯草芽孢杆菌由中科院微生物所提供，使用时将枯草芽孢杆菌的营养肉汤培养液，经6000转/min的速度离心10min，弃去上清液，将沉淀物重新溶解于一定量的无菌生理盐水中，配制成一定浓度的细菌溶液备用。
1.2 试验仪器
　　准平行光束仪（（collimated beam apparatus, 福建新大陆公司生产） 该装置是将紫外灯管安装在一个封闭的圆柱体内，在筒体的底部中央开口，下方接一段长度为60cm，直径为8.8cm的圆管，其作用是产生平行紫外线，使得紫外线能够垂直到达样品的表面^[11]。紫外灯管的功率40W，其中输出254nm波长紫外线的功率为13.8W。紫外线强度用UV-B型紫外辐照计（北京师范大学科学仪器厂生产）测定。
1.3 试验方法
1.3.1 紫外线消毒
　　在Ф90mm的培养皿中放入40mL试验水样，放在准平行光束仪辐照窗下的磁力搅拌器上进行搅拌，打开遮光板照射一定时间后关闭遮光板，然后进行微生物检测，以未辐射的样品作为对照计算枯草芽胞杆菌的灭活率，枯草芽胞杆菌的数量采用平板计数测定。
　　紫外线剂量的计算方法如下：

　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　I0-样品表面紫外线强度，由紫外辐照计在辐照窗口下不同位置平均值测得（mw/cm²）
　　α-样品的紫外吸光度
　　d-样品的深度（mm）

　　Dose=I ·t　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）

　　Dose-紫外线剂量（mJ/cm²）

　　I-平均紫外强度（mw/cm²）

　　t-照射时间（S）

1.3.2 氯消毒
　　消毒剂是由分析纯NaClO与无氨高纯水配制而成，使用前用DPD法检测其氯浓度。在500mL棕色试剂瓶中加入300mL试验水样和5mL磷酸盐缓冲溶液，投加一定量氯达到所需CT值后取样，加入一定量的无菌10%的Na₂S₂O₃中止反应，留作进行微生物检测。
1.3.3 紫外线协同氯消毒
　　方法同1.3.2和1.3.3。
1.4 消毒效果评价
　　消毒效果依据不同紫外剂量下水样中微生物的灭活率来计算：

　　灭活率=lg（N_o/N_t）　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

式中: N_o为消毒前水样中对照微生物个数；
　　 N_t为紫外线照射一定时间后等量水样中剩余微生物个数。

　　 对紫外线与氯联合作用方式的判定根据Berenbaum公式来判断^[12]。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （5）

式中：x_i为达到一定消毒效果时各组分的浓度;
　　 y_i为各组分单独使用时产生与混合物同样效果时的浓度。
　　 如果两种消毒剂间不存在相互作用关系，该式的值为1;
　　 如计算结果<1说明两种消毒剂之间为协同作用;如果计算结果>1，为拮抗作用。

2．试验结果与讨论

2.1紫外线对枯草芽孢杆菌的灭活效果
　 图1是单独紫外线消毒时，对枯草芽孢杆菌的灭活情况，并与大肠杆菌的灭活效果进行了对比。从图中可以看出，在达到同样的灭活效果时，枯草芽孢杆菌所需的紫外线剂量要明显高于大肠杆菌，如紫外线剂量为10mJ/cm²时，对大肠杆菌的灭活率为3.2个对数级，而对枯草芽孢杆菌的灭活只有0.43个对数级，紫外线剂量为30mJ/cm²时大肠杆菌的灭活为6.4个对数级，而对枯草芽孢杆菌的灭活仅有2.44个对数级。可见，枯草芽孢杆菌对紫外线具有较高的抗性，这与芽孢本身的特性有关，芽孢是某些细菌抵抗不良环境而产生的休眠体，此时细胞处于休眠状态，不进行代谢，细胞壁比较致密，对温度、pH、辐射等不良因素具有极强的抵抗能力，紫外线对其的灭活效果较低。

图1紫外线对枯草芽孢杆菌的灭活效果
Fig.1 Effect of UV irradiation on reduction of Bacillus subtilis spores

2.2 氯对枯草杆菌的灭活效果
　　图2是氯消毒对枯草芽孢杆菌的灭活情况。单独氯消毒对枯草芽孢杆菌的灭活效率非常低，在常规的CT值范围内，灭活效果不明显，如当CT值为100mg·min/L时，灭活率仅为0.2个对数级，300mg·min/L时的灭活率也仅为0.53个对数级，可见，枯草芽孢菌对氯具有极强的抗性，这也是一些研究者用枯草芽孢杆菌来代替隐孢子虫进行研究其灭活规律的原因。在实际应用中，要达到相应的灭活效果，就必须提高加氯量，而这样会增加出水中卤代有机物的含量。因而对这种难以灭活的微生物，可以考虑其它的替代消毒技术及与其它技术联用的方法，可以取得更好的消毒效果。

图2 氯对枯草芽孢杆菌的灭活效果
Fig.2 Effect of chlorine on reduction of Bacillus subtilis spores

2.3 紫外线与氯联用对枯草芽孢杆菌的灭活效果
　　紫外线与氯的先后作用方式可能会影响到二者联合作用的效果。首先考察了先用紫外线照射后，再用氯进行消毒对枯草芽孢杆菌的灭活情况。从图3中可以看出，两者联用的效果与紫外线的剂量和氯的CT值有关。如紫外线剂量为10 mJ·cm^-2，氯的CT值为50mg·min/L时，对枯草芽孢杆菌的灭活率为0.74个对数级，较单独紫外线和氯作用时分别提高了0.34和0.68个对数级，紫外线剂量增加到40mJ·cm^-2时，灭活率分别提高了0.5和3.24个对数级。而当CT值达到300mg·min/L时，紫外线剂量为10mJ·cm^-2和40mJ·cm^-2时对枯草芽孢杆菌的灭活率较单独紫外线分别提高1.04和2.34个对数级，与氯消毒提高的幅度更大。并且紫外线照射后再进行氯消毒时，对枯草芽孢杆菌的灭活效果要高于二者单独作用效果之和。从图中可以看出，当紫外线剂量一定时，提高氯的CT值，对枯草芽孢杆菌的灭活率也随着增加，但实际应用中，过多的氯投量会增加处理后水中三卤甲烷的生成量，可以综合考虑二者的量，以达到既可以保证一定的消毒效果，同时又降低消毒副产物生成量。

图3 紫外线和氯对枯草芽孢杆菌的灭活效果
Fig.3 Effect of UV irradiation and chlorine on reduction of Bacillus subtilis spores

　　图4是先用氯消毒后再用紫外线进行照射时对枯草芽孢杆菌的灭活情况。从图中可以看出，投加氯对紫外线消毒效果影响很小，如CT值为300mg·min/L时，对枯草芽孢杆菌的灭活率只提高了0.61个对数级，基本上等于氯作用与紫外线作用效果之和。相对于先紫外线照射后投氯的方式，这种方式对枯草芽孢杆菌的灭活效果提高较少。

图4 氯和紫外线对枯草芽孢杆菌的灭活效果
Fig.4 Effect of chlorine and UV irradiation on the reduction of Bacillus subtilis spores

2.4 紫外线与氯联合作用的作用方式探讨
　　紫外线照射后，再投加氯消毒明显提高了对枯草芽孢杆菌的灭活效果，通过Berenbaum公式的计算，可以得出二者之间的作用关系。表1是通过公式计算得到的结果。从表1中可以看出，在试验的投量（剂量）范围内，计算结果均小于1，即二者间有较好的协同关系。也就是说，紫外线与氯共同作用是一种相互增强的作用方式。一些研究者研究了不同消毒剂协同消毒时，认为不同消毒剂可能作用于微生物的不同位置，从而增加了微生物对另一种消毒剂的敏感性，因而两种消毒剂共同作用提高了对微生物的灭活效果^[13]。先经过紫外线照射，再进行氯消毒时，紫外线可能对芽孢的某些部位造成了损伤，从而有利于后面氯通过芽孢致密的细胞壁进入细部内部，与蛋白质发生氧化作用或破坏磷酸脱氢酶，从而提高了消毒效果，其具体作用机理还需进一步通过分子生物学方法进一步确定。

用Berenbaum方法计算的紫外线-氯消毒体系的∑Xi/Yi　　　　 表1
∑Xi/Yi of of UV irradiation and chlorine mixed system　　　 Tab. 1

3. 结论

　　1．单独氯消毒时，对枯草芽孢杆菌的灭活效率较低，采用紫外线消毒技术，对枯草芽孢杆菌具有较高的灭活效果；
　　 2．采用紫外线与氯联用的方式，提高了紫外线对枯草芽孢杆菌的灭活效果，其作用效果高于紫外线和氯单独作用的效果之和；紫外线与氯作用的顺序对消毒效果有较大影响，以先紫外线照射再加氯的效果最好，通过Berenbaum公式计算可知，二者之间的作用方式是一种协同作用。
　　 3．通过紫外线与氯的协同消毒，提高了对枯草芽孢杆菌的灭活效果，二者联用还可以降低氯的投量，减少了消毒副产物的生成风险，同时保证水的微生物安全性和化学安全性。

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