1 引言
消毒是水處理工藝流程中的一個重要處理單元，常見的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等.但氯消毒過程中會產生三氯甲烷、鹵乙酸等消毒副產物，而臭氧消毒、紫外線消毒則因成本高、維護費用和能量損耗大而使應用受到限制.20世紀50年代，電化學法開始被研究用于水的消毒，該方法具有環境友好、安全、效率高、處理費用低等優點，因此，受到越來越多的關注.
電化學消毒體系中，微生物的滅活機理包括電場的直接作用、電化學過程產生自由氯組分的作用和活性基團的作用.目前對電化學消毒影響因素的研究較多，除了電極材料和電化學反應器形式外，反應的操作條件，如電流密度、pH值、電解質組成等也是不容忽視的因素.電化學消毒能夠有效殺滅水中的大腸桿菌、MS2噬菌體、隱性孢子蟲等，但其對水中某些高風險微生物，如抗生素抗性菌的滅活研究則較少.
因此，本研究通過對模式大腸桿菌的滅活試驗，優化電化學消毒系統的參數和操作條件，在此基礎上進一步考察電化學消毒法對四環素抗性大腸桿菌的滅活效果及其抗性變化，從而為電化學消毒方法的評價提供支持.
2 材料與方法
2.1 水樣與抗生素儲備液配制
試驗所用模式菌株分別為大腸桿菌(E.coli CGMCC 1.3373)和四環素抗性菌(E.coli CGMCC 1.1595)，購于中國科學院菌種保藏中心.用營養肉湯液體培養基(蛋白胨10 g · L-1，牛肉浸出粉3 g · L-1，氯化鈉5 g · L-1)在37 ℃、160 r · min-1下培養16~24 h，10000 r · min-1離心10 min后，將菌體再懸浮于含0.05% NaCl的去離子水中，使水樣中模式菌濃度約為106 CFU · mL-1.
配制濃度為800 mg · L-1的青霉素、氯霉素和四環素儲備液，并進行過膜除菌，具體配制方法見表 1. 將抗生素儲備液避光保存于-20 ℃冰箱內，保存時間不超過1周.
表1 抗生素儲備液的配制濃度及方法
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2.2 電化學消毒裝置
本研究構建了4套電化學消毒小試裝置，每套裝置均由消毒槽、直流穩壓電源、電極板組成.消毒槽為長方體，有機玻璃材質，消毒槽內部左右兩側分別固定有陰極和陽極電極板.4套裝置電極板面積均為50 mm×50 mm，極板間距分別為30、50、70、90 mm.陰極采用不銹鋼板，陽極分別采用釕銥涂層、鉛涂層和銥鉭涂層的鈦電極板.系統采用直流穩壓電源(深圳兆信電子儀器設備廠，RXN-605D)，電壓范圍0~55 V，電流0~3 A.
2.3 消毒試驗條件
為探究裝置參數對消毒效果的影響，在連續流條件下，分別改變陽極極板材料和極板間距，在相同消毒條件下考察電化學裝置對大腸桿菌CGMCC 1.3373的滅活效果.一般采用對數去除率，即消毒后微生物存活率倒數的對數值(以10為底)表示滅活效果，如對數去除率2對應的滅活率為99%.在確定最佳裝置參數后，進一步考察pH、水溫和NaCl濃度等水質條件對大腸桿菌CGMCC 1.3373電化學消毒特性的影響.最后，考察電化學裝置對四環素抗性菌CGMCC 1.1595的滅活效果及對其抗性的影響.具體試驗條件如表 2所示.
表2 電化學消毒試驗條件
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2.4 分析方法
水樣中的大腸桿菌和四環素抗性菌濃度采用平板培養法測定.用磷酸緩沖鹽溶液(Phosphate Buffered Saline，PBS)以10倍梯度稀釋水樣，取1 mL不同倍數的稀釋液加入培養皿(Φ90 mm)中，加入10 mL營養瓊脂培養基(蛋白胨10 g · L-1，牛肉膏粉3 g · L-1，氯化鈉5 g · L-1，瓊脂15 g · L-1)，搖勻凝固后，倒置放于37 ℃培養箱內培養24 h，計所有菌落數，用單位體積水樣的菌落形成單位(CFU · mL-1)表示細菌濃度.每次測定設2個平行樣.
為了表征四環素抗性菌的抗性變化，用含一定濃度抗生素(青霉素、氯霉素和四環素的濃度分別為16、32、16 mg · L-1)的營養瓊脂培養基測定四環素抗性菌濃度，用所得結果與普通培養基測定結果之比(N抗性培養基/N普通培養基)表示四環素抗性菌抗性.該比值越高，表示抗性越強.
3 結果與討論
3.1 不同裝置參數對消毒效果的影響
3種不同陽極電極板對普通大腸桿菌的電化學滅活效果如圖 1所示，在實驗過程中調整電極板之間的電壓和電流，保證在相同的電功率下進行消毒.由圖 1可以看出，釕銥涂層鈦電極板的效果明顯好于鉛涂層和銥鉭涂層鈦電極板，因此，在后續的試驗中采用釕銥涂層鈦電極板作為反應器的極板.電化學消毒機理包括電場直接作用滅菌、電解產生自由氯滅菌和電解產生羥基自由基等強氧化性物質滅菌等.研究發現，電解產氯對消毒效果的貢獻較大.為了探究不同陽極板消毒效果的差異，進一步測定不同電極板在消毒20 s時產生的余氯量，結果如圖 2所示.由圖 2可知，釕銥涂層鈦電極板在消毒20 s后產生的余氯明顯高于鉛涂層和銥鉭涂層鈦電極板，該結果表明釕銥涂層鈦電極板產氯效率高是其消毒效果好的重要原因.
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圖1 陽極電極板材料對大腸桿菌滅活效果的影響
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圖2 不同陽極電極板材料產生余氯對比
進一步考察不同電極板間距對電化學消毒效果的影響，結果如圖 3所示.由圖 3a可知，在流量相同且電功率相同的條件下，極板間距為50 mm時，電化學消毒效果最好.由圖 3b可知，在停留時間相同，即流速相同的條件下，極板間距30 mm與間距50 mm的裝置消毒效果類似，而極板間距為50 mm裝置在相同時間內處理水量是間距為30 mm裝置的1.7倍.綜上可知，極板間距為50 mm的裝置消毒效果最好.
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圖3 電極板間距對普通大腸桿菌對數去除率的影響(a.不同流量下的電化學滅活效果;b.不同停留時間下的電化學滅活效果)
3.2 水質條件對消毒效果的影響
在其他影響因素相同的條件下，分別改變pH、溫度、NaCl濃度等水質條件，考察以上因素對電化學消毒效果的影響，結果如圖 4所示.
?圖4 pH(a)、溫度(b)和NaCl濃度(c)對大腸桿菌滅活效果的影響
從圖 4a可以看出，隨著pH值的增加(5.0~7.0)，電化學法對大腸桿菌的滅活效果隨之降低，滅活率下降，表明在酸性條件下電化學消毒的效果較好.這可能是因為在酸性條件下，電化學法產生的氯氣能有效溶解在水中，形成殺菌效果較好的HClO.而在堿性條件下，會形成較多的ClO-，殺菌效果較差.
從圖 4b可以看出，隨著溫度的升高(10~30 ℃)，電化學法對大腸桿菌的消毒效果顯著增強.這可能是由于溫度升高，電化學反應速度加快，相同時間內氯氣等活性消毒成分產量增加的緣故.
從圖 4c可以看出，電化學消毒系統對大腸桿菌的對數去除率隨NaCl濃度升高而增加.當NaCl濃度為0.01%時，消毒15 s時對數去除率僅有1.7，而當NaCl濃度上升至0.05%和0.10%時，消毒15 s時大腸桿菌的對數去除率分別增大到5.2和6.5.這是因為水中NaCl濃度越高，單位時間內電化學作用產生的氯氣越多，對微生物的殺滅作用也越強.
與氯消毒相比，電化學消毒體系產生的電場直接作用能導致細菌細胞膜分解或發生電穿孔現象，從而使自由氯進入細胞內部的能力大大提升，可能使得在相同氯劑量下的電化學消毒效果要好于氯消毒.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
3.3 電化學法對四環素抗性菌的滅活及對其抗性的影響
在相同電化學消毒條件下，比較了電化學法對普通大腸桿菌CGMCC 1.3373和四環素抗性菌CGMCC 1.1595的滅活效果，結果如圖 5所示.從圖 5可以看出，在相同的試驗條件下，電化學法對四環素抗性菌的去除率明顯低于普通大腸桿菌.在本試驗體系中，電化學法產生的氯氣對細菌起重要的消毒作用.Allard等的研究顯示，pBR322上tet(A)表達的細胞膜上的橫跨膜蛋白具有疏水性.因此，可以推測四環素抗性菌其細胞膜上的橫跨膜蛋白數量多，從而使得整個細胞膜的疏水性增加，這保護了細胞不受氯的氧化和氯化，從而降低了氯消毒對四環素抗性菌的滅活率.從另一角度來講，也就是四環素抗性菌可能具有更高的電化學消毒耐受能力.
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圖5 電化學法對普通大腸桿菌和四環素抗性大腸桿菌的滅活效果對比
四環素抗性菌經過不同時間電化學消毒后，消毒耐受菌株在3種抗生素培養基中的存活率如圖 6所示.隨著消毒停留時間的增加，消毒耐受的抗性大腸桿菌在四環素、青霉素、氯霉素培養基中的存活率呈先下降后上升的趨勢.四環素抗性菌的抗性與消毒后細胞膜受損傷程度和細胞個體抗性水平的差異等因素有關，由于缺乏進一步的實驗數據，在不同消毒時間下其抗性變化的原因有待進一步深入研究.
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圖6 電化學消毒對四環素抗性菌抗性的影響
4 結論
1)電化學裝置陽極采用釕銥涂層鈦電極板，且極板間距為50 mm時，相同能耗下對大腸桿菌的滅活效果最好.
2)在pH值為5~9、水溫10~30 ℃、NaCl濃度為0.01%~0.10%的條件下，電化學消毒法對大腸桿菌的滅活率隨水的pH升高而降低，隨水溫和NaCl濃度升高而升高.
3)在相同消毒條件下，電化學法對抗生素抗性大腸桿菌的滅活率顯著低于普通大腸桿菌.消毒后存活抗性菌對四環素、青霉素、氯霉素的抗性隨消毒時間延長呈現先下降后上升的規律.
