朱娜，冯萃敏，李莹，徐震，付立凯，王子乐

(1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，北京 100044；2.北京建筑大学 水环境国家级实验教学示范中心，北京 100044；3.北京市城市排水监测总站有限公司，北京 100012)

安全饮水润民心，保障饮用水水质安全对人类生命健康至关重要。消毒作为饮用水进入城市管网前的关键环节，维系着出厂水与管网水安全的双重责任。采用混凝-沉淀-过滤-消毒的常规饮用水处理工艺(第一代城市饮用水净化工艺)，或后加臭氧-活性炭深度处理工艺(第二代城市饮用水净化工艺)，可有效遏制水介烈性细菌对人类的危害，至今仍广泛应用于世界各地的给水厂，在我国占据份额较高[1]。常用消毒工艺从液氯逐渐发展为氯制剂、紫外线、臭氧等，其消毒效果显著但也存在问题。在氯消毒广泛应用的同时，大量氯消毒副产物涌现，目前已检出的氯制剂消毒副产物已逾700种，其毒性效应对人体健康构成极大威胁[2]。加之原水中的一些致病菌如铜绿假单胞菌、军团菌、分枝杆菌等对氯消毒剂产生了较高的耐受性，若进入管网会滋生一系列问题[3]。因此面对国家推动高品质饮用水的需求，亟待开发绿色、高效消毒方式。

植物多酚是植物体内的复杂次生代谢产物，来源绿色环保，研究表明植物多酚对细菌、真菌、病毒等均具有良好的抗菌性能，在食品、医药等领域有较多应用[4-5]。谢寒等[6]对3种常见植物制剂用于饮用水消毒的消毒效果进行研究，结果表明植物制剂对水中的细菌有较好的控制作用，消毒后水中的细菌总量均可以达到饮用标准，且茶多酚相较于苹果多酚和葡萄多酚而言消毒持续性更佳，作为饮用水消毒剂有较高的可能性。本文综述茶多酚的抑菌特性、抑菌机理及其作为常规处理消毒剂的应用特点。

1 茶多酚的抑菌特性及抑菌机理

茶多酚(Tea Polyphenols,TP)是茶叶中一类主要的化学物质，由儿茶素类、花黄素类、酚酸及缩酚酸类组成。其中儿茶素是茶多酚的主体部分，占比约为70%～80%，其结构至少包括3个环核，是2-苯基苯并吡喃的衍生物[7]。EGCG是含量最高、活性最强的儿茶素，也是茶多酚具有抑菌作用的主要成分。研究表明EGCG对革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的作用机制不同[8]，对于EGCG衍生物的抗菌、抗氧化性研究也日渐增多[9]。

茶多酚的分子结构中具有多个反应活性基团和活性部位，可以发生酚类、醇、酸等多种化学反应。例如强酸条件下儿茶素发生自聚合生成儿茶素二聚体，其仍具有亲电和亲核中心，可以继续聚合形成多聚体[7]。茶多酚具有很强的氧化还原作用，且其特有的共轭结构为抗氧化作用提供了条件，所以可作为抗氧化剂应用到多种场合[10]。且茶多酚对金属离子高度敏感，其结构中的酚羟基可以与大多数金属离子(如Ca2+、Pb2+、Zn2+、Fe3+、Al3+等)发生络合反应。酒石酸亚铁法测定茶多酚，就是利用了一定pH条件下多酚物质与Fe2+形成紫蓝色络合物的性质[11]。李慧玲等[12]合成了TP-Cu络合物，发现通过Cu2+对茶多酚络合改性可以改善茶多酚的抗菌性能。王旭捷等[13]在TP-Cd络合物的制备工艺基础上，分别于最优条件下制备了TP-Cu、TP-Zn、TP-Pb等12种不同的络合物，反映出茶多酚与金属离子形成稳定络合物的性质，同时研究发现不同茶多酚金属络合物的抑菌活性存在一定差异。苗嘉桐等[14]研究发现EGCG和EGCG-Zn络合物对耻垢分枝杆菌均有抑制作用，前者作用效果更强，但EGCG-Zn能引起EGCG结构变化，增强其抗氧化能力。庆杉等[15]研究表明EGCG-Cu络合物会诱发细菌体内的氧化应激反应，使得其抑菌效果优于EGCG，所以与金属离子络合是改进EGCG消毒效果的途径之一。

茶多酚及其单体对口腔细菌、肠道细菌、流感病毒等均有一定的抑制或杀灭能力[16-17]。茶多酚的抑菌机理研究主要集中以下几个方面：茶多酚改变细菌正常形态，破坏细胞壁膜结构。细菌具有相对恒定的形态与结构，Si等[18]研究发现多酚化合物EGCG、EGC作用时细菌细胞形态由长杆状变为短棒状或球状等形态，这可能是由于细胞分裂受阻所致。Sirk等[19]研究发现儿茶素对脂质双层具有很强的亲和力，受儿茶素的羟基与细胞膜磷脂双分子层的氢键作用影响。Yi等[20]研究表明经茶多酚处理后铜绿假单胞菌的细胞膜完整性被破坏，外膜与内膜通透性增加，导致内容物外泄。茶多酚阻碍细菌蛋白质的合成与表达，影响酶活性。郭子玉等[21]研究表明,EGCG结构中酚羟基的氢键会与碱性氨基酸侧链的氮原子相互作用，抑制大肠杆菌细胞膜孔蛋白的功能。王丽等[22]研究发现茶多酚与细胞酶蛋白结合会降低酶活性，与膜蛋白结合会影响细菌对营养物质的吸收。茶多酚作用于细菌遗传物质，影响细菌代谢过程。董璐等[23]通过琼脂糖凝胶电泳观测到茶多酚处理后的菌体DNA条带变暗甚至拖尾，即茶多酚的作用位点包括遗传物质DNA。因茶多酚良好的抑菌特性与持续杀菌能力，对其作为饮用水消毒剂的应用开展相关研究。

2 茶多酚用作常规处理消毒剂的研究进展

冯萃敏等[24]将茶多酚用于不同水体(应急饮用水、常规饮用水)消毒均表现出良好的消毒效果，茶多酚的投加量越大消毒效果越好，持续作用越强，但会造成出水色度增加、不达标，因此其考虑减少投加量并探索茶多酚作辅助消毒剂的可行性。当茶多酚作辅助消毒剂时具有较强的消毒持续性，可以满足杀菌要求，与单一应用相比，能够有效降低出水色度与经济成本[25]。通过检测发现茶多酚在水中与菌体蛋白质结合生成生物可降解有机物(BDOC)，且茶多酚衰减速率与BDOC生成速率有关，因此需要对茶多酚浓度衰减速率进行控制，以提高饮用水的生物稳定性[26]。

2.1 茶多酚作为唯一消毒剂

常规饮用水消毒即滤池出水消毒，研究人员发现当茶多酚投加量大于0.1 g/L时，作用20 min后滤池出水中的剩余细菌总量即可满足《城市供水水质标准》(CJ/T 206—2005)的要求，且两天内表现出良好的消毒持续性。当茶多酚投加量降为0.05 g/L 时，水中的剩余细菌总量增加，接近标准限值[24]。对于常规饮用水消毒，茶多酚具有较好的适用性与消毒持续性，但是投加量较大时会造成经济成本增加，出水色度较高，限制了应用可能性。

《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中规定饮用水色度≤15(铂钴色度单位)。冯萃敏等[27]研究发现相同时间内茶多酚投加量越大，水样色度越高，并在接触24 h后趋于稳定。茶多酚组分较为复杂，其中花色素中的花青素是一类具有多种生理活性的黄酮类多酚化合物，其含量极低但作为植物色素的主要成分，对茶多酚消毒过程中水的色度影响不可忽视。王晓彤等[28-29]研究发现茶多酚中花青素种类包括飞燕草-3-半乳糖苷、飞燕草-3-葡萄糖苷、矢车菊-3-半乳糖苷、天竺葵-3-芸香糖苷、矢车菊与矢车菊-3-6丙二酰葡萄糖苷，因花青素使水样产生的色度值是茶多酚水样色度值的14.3%，即表明茶多酚消毒剂中极少量的花青素给水样色度造成较大影响。同时其研究发现儿茶素EGCG使水样产生的色度值是茶多酚水样色度值的36.6%，儿茶素GCG使水样产生的色度值是茶多酚水样色度值的7.7%，即儿茶素对消毒过程水样色度值上升亦有较大影响。但儿茶素本身无色，其含有较多活泼的酚羟基在消毒过程中易发生氧化聚合反应生成有色的茶黄素类、茶红素类等物质，造成水样色度的增加。因此冯萃敏等[30]针对消毒过程中EGCG氧化聚合对色度的影响进行了探究，发现光照条件会诱导多酚氧化酶活性升高，促进EGCG酶促氧化聚合反应生成有色物质，所以控制避光可以有效降低水样色度。此外酸性条件下H+会抑制EGCG酚羟基电离，影响聚合反应，而碱性条件下OH-表现为促进作用，氧化聚合产物增多，所以低pH消毒条件有利于色度控制。色度的变化表明了茶多酚消毒过程中化学结构与物质的改变，对于茶多酚本身而言，在消毒过程中起主要作用的官能团、消毒产物的类型及化学特性仍需深入研究。考虑应用可行性，从降低投加量、保证出水色度等方面，可将茶多酚与紫外线、臭氧等消毒方式联合应用，使茶多酚发挥控制管网微生物再生长的辅助消毒剂作用。

2.2 茶多酚作为辅助消毒剂

紫外线与臭氧的消毒效率高，与氯消毒相比具有明显的消毒原理优势，但二者均不具有持续杀菌能力，消毒之后仍需要补充其他消毒剂方可避免在管网内造成微生物二次污染。联合消毒工艺能够缩小单一消毒的缺点，尽可能的发挥每一种消毒手段的优势[31]。紫外线、臭氧一般多与氯或氯胺联用，弥补紫外线、臭氧消毒时持续性差的短板，减少氯消毒副产物的生成，实现高效消毒和副产物控制的双重目标[31-32]。

2.2.1 紫外线-茶多酚联合消毒 杨童童[33]将茶多酚与紫外线联用并对其消毒效果进行研究，结果表明二者具有良好的协同作用，联合消毒效果较好，因此其从杀菌效果、消毒持续性与经济性多方面考虑选用75 mg/L作为茶多酚的较佳投加量。在管网运行中，微生物会利用水体有机物进行新陈代谢、生长繁殖并依附在管壁上形成生物膜，许多细菌会在管壁微生物群落中生长繁殖，在水流冲刷或老化脱落作用下进入水体，成为水中微生物的风险来源[34]。刘炫圻等[35]通过UPVC管网模拟系统生物膜研究表明，系统运行至30 d时，紫外线单独消毒的挂片上生物膜均匀密实、较为完整，但紫外线-茶多酚联合消毒的挂片上生物膜较为单薄、有较大的侵蚀孔。即紫外线对生物膜的杀灭作用较弱，茶多酚加入后在水流作用与生物膜的吸附作用下，部分药剂被吸附至管壁杀灭管壁微生物，造成生物膜破坏呈现单薄的网状结构，所以采用紫外线-茶多酚联合消毒对管壁生物膜的破坏作用更强，水质微生物安全可以得到保障。同时高通量测序结果表明当紫外线-茶多酚联合作用时，生物膜中多数微生物的灭活率高达99%，且对肠道病原菌有较好的控制效果[35]。Liu等[36]在研究茶多酚对肺炎克雷伯菌的群体感应和毒力因子的影响时发现，茶多酚可以减少细菌蛋白酶、胞外多糖的产生，抑制群体感应活性与生物膜的形成。Huber等[37]也有报道植物多酚可以干扰细菌群体感应并抑制细菌生物膜的形成。在刘炫圻等[38]的另一项研究中对比了UPVC管网中茶多酚、次氯酸钠与紫外线联合消毒的差异性，结果显示运行30 d内水中细菌总数始终维持在100 CFU/mL 以下，即两种联合消毒工艺对管网微生物均有较好的控制作用。且紫外线-茶多酚、紫外线-次氯酸钠联合消毒在30 d时生物膜的微生物量，相较于紫外线单独作用分别下降了23%,11%，即以茶多酚作辅助消毒剂对于管壁微生物的灭活效果更好。

分析管网微生物群落结构特征，对于揭示茶多酚消毒机理以及微生物控制均有意义。当主消毒工艺为紫外线时，水中细菌群落在门、属水平的高通量测序结果见表1。在门水平上，不同消毒工况水中主要以变形菌门为主，紫外线消毒与紫外线-次氯酸钠联合消毒时，水中的拟杆菌门、硝化螺旋菌门以及蓝藻菌门也均有一定的占比。紫外线-茶多酚联合消毒时，上述几种菌群占比均小于1%，表明以茶多酚作辅助消毒剂对这几种菌群的控制效果较好。在属水平上，水中优势菌属不同，紫外线单独消毒时，慢性根瘤菌属占比较高，而采用辅助消毒剂联用后该菌属的占比显著下降，即慢性根瘤菌属对化学消毒剂较为敏感。以茶多酚作辅助消毒剂时水中优势菌属是黄色杆菌属；以次氯酸钠作辅助消毒剂时水中优势菌属是假单胞菌属，此外分支杆菌属和食酸菌属均有一定的占比。食酸菌属、假单胞菌属均为革兰氏阴性菌，后者类群中的铜绿假单胞菌、类鼻疽假单胞菌、荧光假单胞菌等均是存在于环境中的条件致病菌[39]。分支杆菌的致病性与菌体成分有关，其类群中的结核分枝杆菌、麻风分枝杆菌等对人体有致病作用[40]。有研究发现这三类菌属都表现出一定的耐氯性[3]，当紫外线-茶多酚联合消毒时其占比显著下降，即以茶多酚作辅助消毒剂对部分致病菌及耐氯菌的杀灭能力更强，水质微生物安全性更高。

表1 门、属水平主要菌群种类所占比重(%)[38]Table 1 Proportion of the main species at phylum and genus level (%)

2.2.2 臭氧-茶多酚联合消毒 Feng等[41]将茶多酚与臭氧联用以增加消毒持续性，并在实验结果的基础上通过响应曲面法优化运行条件，得到臭氧-茶多酚联合消毒的最佳工况：20 mg/L茶多酚投加量、2.5 mg/L臭氧投加量以及25 min的臭氧接触时间。郭子玉[42]通过管网模拟系统对比了辅助消毒剂茶多酚、次氯酸钠与臭氧联用的消毒效果与管网微生物差异性，结果显示运行35 d内，PPR管网中两种联合消毒工艺均可满足出水细菌总数达标，但不锈钢管网中臭氧-次氯酸钠出现细菌总数超标的情况，即以茶多酚作辅助消毒剂与臭氧联用具有更优的消毒效果。当臭氧单独消毒时，管壁微生物聚集形成较大的微生物群落，在35 d时生物膜表现出脱落状态，即在水流冲刷或老化脱落作用下进入管网水中，影响水的生物安全性。当联合消毒时由于辅助消毒剂作用，相同运行时间下生物膜的微生物量小于臭氧消毒的情况。次氯酸钠作辅助消毒剂运行开始时微生物并未形成大片的团状结构，因其较强的穿透力作用，管壁生物膜结构松散，呈现孔状结构。茶多酚作辅助消毒剂时管壁生物膜生长缓慢，直至35 d时才有单薄的生物膜形成，呈现出片状结构，这与茶多酚易被吸附至管壁作用于管壁微生物的性质有关，该结果与紫外线-茶多酚联合消毒管壁生物膜变化相似。

同时上述3种消毒工况下PPR管网水中细菌群落在门、属水平的高通量测序结果见表2。当主消毒工艺为臭氧时，门水平上细菌分布较为简单，变形菌门的占比均在97%以上。当次氯酸钠作辅助消毒剂时放线菌门占比1.8%，有研究发现部分放线菌对氯有一定的耐受性，故茶多酚较次氯酸钠对其有更好的抑制作用。在属水平上，臭氧单独消毒时，水中芽单胞菌属、氢噬胞菌属占比较高，而采用辅助消毒剂共同作用后对这两种菌得到了有效控制。以茶多酚作辅助消毒剂时，对水中的芽单胞菌属、产卟啉菌属、假单胞菌属、甲基杆菌属等微生物种群的控制效果优于次氯酸钠。其中芽单胞菌属是芽单胞菌门下仅有正式命名的一属；产卟啉菌属、甲基杆菌属均属于α-变形菌纲，革兰氏染色呈阴性， Tsagkari等[43]研究表明甲基杆菌属是水中细菌聚集体形成以及随后表面生物膜形成的关键菌株。与表1相比，当茶多酚应用工况不同时水中菌群结构差异性较大，优势菌属不同，因此可以根据原水中微生物的分布进行消毒工艺的选择。

表2 门、属水平主要菌群种类所占比重(%)[42]Table 2 Proportion of the main species at phylum and genus level (%)

2.3 茶多酚的衰减特征

茶多酚在自然状态下会发生衰减，衰减速率受茶多酚浓度、温度、pH值等诸多因素影响。郭子玉等[44]通过茶多酚衰减动力学研究提出，茶多酚应以固体形态保存于干燥处或者以高浓度溶液贮存在低温处。

因消毒剂在发挥消毒作用的同时自身也会衰减，导致浓度下降，管网余量不达标。目前关于余氯衰减的研究较多，其影响因素包括初始氯浓度、流速、TOC、温度等，衰减模型有一级反应模型、二级反应模型等[45]。因此明确消毒过程中茶多酚的衰减机理，构建衰减模型对保证水质安全至关重要。吴新楷[46]研究表明EGCG在水中主要发生非酶促的氧化聚合反应，包括链引发、链传递、链终止以及聚合反应四个阶段，使EGCG氧化成醌，再聚合形成二聚体或多聚体。且动力学研究发现茶多酚衰减受初始EGCG浓度、pH、光照影响较大，衰减符合一级动力学模型。杨童童[33]研究发现茶多酚单独消毒时，50 mg/L茶多酚半衰期为79.19 h，而紫外线-茶多酚联合消毒时，50 mg/L茶多酚半衰期为85.97 h，且衰减均符合一级动力学方程。由于紫外线与茶多酚联用具有良好的协同作用，茶多酚的衰减速率降低，水样中相对保持较高的辅助消毒剂含量。郭子玉[42]研究发现自然状态下与消毒过程中茶多酚的衰减亦符合一级动力学方程。在无菌纯水中20 mg/L 茶多酚半衰期为200.61 h，臭氧-茶多酚联合消毒时20 mg/L茶多酚半衰期为47.02 h。由于臭氧消毒后水中氧化性自由基的残留，使得茶多酚的衰减速率相较其单独消毒时加快，消毒持续性有所降低，故需要优化茶多酚的投加时间，规避氧化性自由基对其的影响。庆杉[47]研究发现当茶多酚投加量介于5～10 mg/L时，消毒过程中茶多酚的衰减符合二级动力学方程，初始浓度越低茶多酚衰减越快，例如10 mg/L茶多酚半衰期为155.63 h，5 mg/L茶多酚半衰期降为39.93 h。大多数化学物质的降解均可以用各级反应速率方程式进行表征，造成上述不同动力学结果的原因与茶多酚浓度相关，而茶多酚浓度又决定了饮用水的消毒效果，所以仍需要细化茶多酚浓度范围进行衰减动力学研究，明确茶多酚消毒的余量限值，为不同工艺在实际应用中的茶多酚投加量与控制量提供科学依据。

此外茶多酚的提取工艺也日渐丰富与成熟，包括有机溶剂萃取法、离子沉淀法、树脂吸附分离法等。其中有机溶剂萃取法利用茶多酚溶于水与有机溶剂乙醇、丙酮等，而不溶于氯仿、石油醚等的物理性质，将其从茶叶中分离出来得到茶多酚粗品，但要想获得高纯度茶多酚还需反复除杂[48]，该工艺操作简单、萃取稳定、适用于大规模生产。离子沉淀法采用金属离子作为沉淀剂对茶多酚进行沉淀，调节溶液pH值，以酸性溶液转溶沉淀，将茶多酚再次转变成游离状态进而提取[49]，该工艺使用的有机溶剂较少、工艺简单、成本低，产品纯度高，同样适用于工业化生产。超声波辅助提取法和微波辅助提取法均可以破坏细胞壁结构，促进茶叶细胞中茶多酚的释放，缩短提取时间，减少茶多酚的氧化，很大程度保持有效成分结构及活性，有较好的应用前景[50]。这些提取工艺的发展使得茶多酚可以大规模、低成本生产，在各领域的应用也逐渐增多，同样也为其应用于饮用水消毒提供可能。

3 结论与展望

茶多酚组成成分较为复杂，其中儿茶素EGCG含量最高、活性最强，是发挥抑菌作用的主要成分。茶多酚易于金属离子发生络合反应，形成的金属络合物抑菌活性存在一定差异，与金属离子(Cu2+、Cd2+等)络合是改进茶多酚抑菌效果的途径。茶多酚的抑菌机理表现在其对细菌细胞膜、蛋白质、遗传物质等多方面的影响。将茶多酚用于饮用水消毒，表现出良好的消毒特性。茶多酚作为唯一消毒剂时，投加量0.1 g/L且作用20 min后水中的剩余细菌总量即可满足标准要求，但此时投加量较大，经济成本较高，出水色度不达标。因此对其作为辅助消毒剂进行研究，结果表明茶多酚与紫外线、臭氧联合消毒时表现出较好的消毒效果与消毒持续性，投加量分别降低为75,20 mg/L，经济成本减小，出水色度达标。管网微生物分析结果表明，茶多酚作辅助消毒剂时在水流作用与生物膜吸附作用下被吸附至管壁，对管网生物膜的破坏作用加强，减少了管壁微生物进入水体的风险。且以茶多酚作辅助消毒剂时，对一些致病菌和耐氯菌(假单胞菌属、分枝杆菌属等)有较强的抑制作用，水质生物安全性得到保障，有较好的应用前景。

近年来，膜技术在饮用水处理中的应用广受关注。超滤膜的能耗较低且可有效去除水中的细菌、病毒、“两虫”等，也可去除富力酸、腐殖酸等有机物，具有出水水质稳定、无消毒副产物等优点，以超滤为核心的第三代城市饮用水净化工艺在我国大型水厂应用始于2004年。但超滤出水在管网输送和贮存过程中仍可能受到二次污染，主要原因是管壁发生物理、化学、电化学、微生物等作用形成了管壁沉积物，在老化作用或水流冲刷作用下脱落，影响水质安全。因此考虑在超滤出水中投加茶多酚，增加消毒持续作用，控制管网微生物的再生长。目前已有研究表明茶多酚处理超滤出水时的较优投加量为5 mg/L，48 h后水中剩余浓度为2.11 mg/L，可保证消毒效果。今后还需要对茶多酚作用于超滤出水后的消毒产物及其安全性、微生物抑制与同化、管壁颗粒物的吸附与解吸、管壁微生物的生长及对茶多酚消毒的逆向作用进行深入研究，揭示茶多酚消毒管网微生物的抑制机制，建立与膜技术结合的茶多酚消毒工艺，切实保障给水管网水质安全性。