2.3 DON分子量及親疏水性變化

選取出水DON濃度相對(duì)穩(wěn)定的4.5 h水樣進(jìn)行分子量分布及親疏水性測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)原水以小分子DON為主，分子量<1、1～3、3～5、5～10、>10 k Da所占比例分別為63.2%、5.2%、2.3%、7.1%和22.2%。空白試驗(yàn)組DON分子量變化較小，加氯后，DON中分子量<1 k Da的比例逐漸上升，分子量>10 k Da的比例逐漸下降。當(dāng)加氯量為3 mg/L時(shí)，出水DON中分子量<1、1～3、3～5、5～10、>10 k Da所占比例分別為77.5%、8%、2.7%、7.2%和4.6%。這表明隨著加氯量的增加，水體中的大分子有機(jī)物與氯反應(yīng)轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物。DON親疏水性變化如圖6所示，加氯后明顯增加了DON中親水性組分的比例，與空白試驗(yàn)組相比，當(dāng)加氯量為3 mg/L時(shí)，親水性DON比例由69.8%增加至88.2%。疏水性有機(jī)物通常含有大量的芳香族結(jié)構(gòu)，而親水性組分通常含有更多的脂肪族結(jié)構(gòu)，如氨基酸和多糖。Beggs等對(duì)加氯消毒后有機(jī)物熒光光譜的研究結(jié)果表明，氯能與水中部分有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，將大分子芳香族有機(jī)物轉(zhuǎn)化成了小分子親水性有機(jī)物。綜上所述，加氯后能夠?qū)⑺w中DON轉(zhuǎn)化為分子量更小，親水性更強(qiáng)的有機(jī)物。

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

在不同加氯量下，選取反應(yīng)4.5 h后的管壁生物膜樣品進(jìn)行16S r RNA測(cè)序分析。采用Uclust軟件將DNA系列進(jìn)行聚類分析，以97%相似水平為標(biāo)準(zhǔn)劃分可操作性分類單元(OTU)，結(jié)果如表2所示?？瞻自囼?yàn)組的生物膜樣品中得到268個(gè)OTU，當(dāng)加氯量小于1.5 mg/L時(shí)，OTU指數(shù)較空白組大;當(dāng)加氯量大于2 mg/L時(shí)，OTU指數(shù)明顯降低。通過對(duì)樣品Shannon指數(shù)分析可知，隨著加氯量的增加，Shannon指數(shù)先上升后下降，由此可見，與投加高濃度氯(>1.5 mg/L)相比，投加較低濃度氯(0.5～1.0mg/L)更有利于提高管道生物膜中微生物多樣性。與未投加氯相比，較低的加氯量同樣表現(xiàn)為較高的微生物多樣性，這與Mi等[10]研究供水管網(wǎng)中消毒劑對(duì)生物膜中微生物種群結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果一致。

為準(zhǔn)確反應(yīng)不同加氯量條件下微生物群落結(jié)構(gòu)，對(duì)微生物在門和屬水平上的群落結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。生物膜中優(yōu)勢(shì)菌門主要包括變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、藍(lán)藻菌門(Cyanobacteria)、浮霉菌門(Planctomycete)、酸桿菌門(Acidobacteri)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、綠彎菌門(Chloroflexi)及部分未鑒定菌門。

由圖7可知，隨著加氯量的增加，微生物群落中變形菌門的數(shù)量明顯降低，當(dāng)加氯量為3 mg/L時(shí)，變形菌門占比由65.2%下降至30.1%。變形菌門通常是化能異養(yǎng)和自養(yǎng)微生物，常見于貧營養(yǎng)環(huán)境中，其中α-變形菌能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C(jī)物降解為親水性小分子氨基酸及單糖等。因此，變形菌在原水輸送過程中，對(duì)于水體中有機(jī)物的降解及DON的釋放起到重要作用。厚壁菌門的占比隨著加氯量的增加而增大，當(dāng)加氯量為3 mg/L時(shí)，厚壁菌門占比由20.1%上升至49.4%。厚壁菌門細(xì)菌均為革蘭氏陽性菌，細(xì)胞壁中的肽聚糖結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，因此，當(dāng)加氯量增加后，非耐氯菌大量失活死亡，厚壁菌門細(xì)菌逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌并大量繁殖。隨著加氯量的增加，硝化螺旋菌門的占比逐漸降低，由最初的5.5%左右下降至0.5%以下。硝化螺旋菌是硝化反應(yīng)過程中的重要細(xì)菌，能夠?qū)H4+-N和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化硝酸鹽，研究表明，硝化螺旋菌穩(wěn)定存在于原水輸送管道中促進(jìn)硝化反應(yīng)。這也解釋了當(dāng)加氯量增加后，反應(yīng)裝置內(nèi)硝化反應(yīng)過程明顯削弱的現(xiàn)象。其他各類菌門占比基本維持在5%以內(nèi)，并穩(wěn)定存在于生物膜中。

通過對(duì)微生物屬水平群落結(jié)構(gòu)分析可知(圖8)，生物膜中主要含有鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、食酸菌屬(Acidovorax)、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)等。其中，鞘脂單胞菌屬占比隨著加氯量的增加不斷降低，當(dāng)加氯量為3 mg/L時(shí)，鞘脂單胞菌屬比由28.6%下降至12.2%。鞘脂單胞菌屬能夠產(chǎn)生大量EPS(胞外聚合物)，是生物膜形成過程中的重要微生物[13]。由此推斷，較高濃度的加氯量可能會(huì)加快生物膜的脫落，不利于生物膜生長。此外，假單胞菌屬、食酸菌屬、不動(dòng)桿菌屬等占比逐漸上升，這些菌屬在耐氯菌屬研究中具有相關(guān)報(bào)道。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)加氯量在1.5 mg/L以下時(shí)，模擬裝置中硝化反應(yīng)正常，且隨著加氯量的增加NH⁴⁺-N轉(zhuǎn)化率升高。隨著加氯量的進(jìn)一步增加，硝化反應(yīng)明顯停滯，NH⁴⁺-N轉(zhuǎn)化率顯著降低，而NO^2--N由于HOCl的氧化作用仍保持較高的轉(zhuǎn)化率。這表明低濃度的預(yù)氯化過程能夠促進(jìn)原水管道內(nèi)的硝化反應(yīng)過程，而較高濃度氯(>1.5 mg/L)則會(huì)使硝化過程受抑制。

(2)預(yù)氯化后水體中DON濃度明顯增加，且隨著加氯量的增加而升高，主要是由于微生物被消毒劑氧化后細(xì)胞溶出物增加以及高氯濃度下管道內(nèi)壁生物膜失活脫落引起。此外，預(yù)氯化后水體中親水性小分子DON比例明顯增加。

(3)投加較低濃度氯(0.5～1.0 mg/L)在一定程度上會(huì)促進(jìn)微生物多樣性升高，而較高濃度的氯(>1.5 mg/L)則會(huì)大大削減物種多樣性。預(yù)氯化后，生物膜中變形菌門占比逐漸降低，厚壁菌門則逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌，占比逐漸上升。硝化螺旋菌門在高濃度氯條件下占比明顯降低，這與裝置中硝化反應(yīng)規(guī)律相似。在屬水平上，鞘脂單胞菌是生物膜中的重要菌屬，其占比隨著加氯量的增加而降低，而假單胞菌屬、食酸菌屬、不動(dòng)桿菌屬等耐氯菌屬占比則逐漸上升。

相關(guān)鏈接：濃度，分子，糖