蔡寅诺,刘 丽,陈国炜,钟疏影

氯对细菌与管材间交互作用及附着行为的影响

蔡寅诺,刘 丽*,陈国炜,钟疏影

(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

为探究饮用水中消毒剂对细菌在管材粗糙表面上附着行为的影响机制,探讨了消毒剂条件下细菌在不同类型、不同粗糙程度管材上的附着行为,并借助于基于表面热力学的XDLVO(extended-Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论解析细菌与粗糙表面的交互作用过程.结果表明,投加氯(£1.0mg/L)明显促进了细菌在管材表面的附着(相较于未投加时扩大4～6倍),且细菌更倾向于在塑料管材表面定殖,增大管材表面粗糙度进一步促进了细菌的附着.基于XDLVO理论解析表明,1.0mg/L氯提高了细菌与管材表面间的酸碱作用项和范德华作用项,进而促进细菌的表面附着行为;而增大管材表面粗糙程度进一步强化了这一交互过程.相较于不锈钢管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材促进了其与细菌表面的交互吸引作用能,特别在1.0mg/L氯条件下管材与细菌的相互作用能增加了4～6倍,进而有助于细菌的表面附着聚集.

饮用水；消毒剂；给水管材；粗糙表面；XDLVO理论

饮用水系统中细菌时刻面对消毒剂、贫营养和水流波动等环境胁迫,通常倾向于附着管材等固体表面以生物膜形式聚集生长[1].生物膜的存在会引起一系列饮用水水质恶化问题,如导致水体变色、浊度升高以及病原体和抗性细菌的扩散和传播[2-3].

为了抑制细菌的生长和繁殖,饮用水系统中通常维持一定浓度的消毒剂[4].研究表明,消毒剂会抑制细菌生长繁殖进而控制生物膜的形成.如Zhang等[5]通过运行改良的生物膜反应器发现氯化条件下管材生物膜量低于无氯化管材生物量.通过运行CDC反应器来培养不同管材表面生物膜,Aggarwal等[2]发现氯胺的加入明显的抑制了微生物的增长.也有研究表明,低浓度消毒剂会促进细菌的运动和胞外聚合物的生成,进而有助于细菌的聚集[6-7].此外,饮用水系统中管道材料也是影响生物膜形成的关键因素[8].金属管材和塑料管材表面的物理特征和化学成分差异可能导致所形成生物膜具有显著差异[3].如Jiang等[9]通过环形反应器来探究不同管材生物膜特性,发现不锈钢管道上附着生物量最少,具有较高的水质安全性.而Li等[10]的研究发现铸铁有助于提高生物膜生物量和其种群多样性.

也有研究表明,细菌和载体表面的物理化学性质(如粗糙度、疏水性和化学活性等)干预细菌之间、细菌与粗糙表面间的复杂交互作用,进而影响细菌在载体表面的附着聚集行为[11-12].增大固体表面粗糙度不仅扩大了细菌与表面间的接触面积,也有助于减少附着细菌附近的水流剪切应力[13].Ammar等[14]研究发现,固体表面较大凸起处降低了细菌与其的能量屏障,更有利于细菌的粘附.此外,具有中等疏水性的聚合物表面(接触角约90°),强化细菌与固体表面之间的疏水作用,加速了大肠杆菌的表面附着[15].然而,目前对于饮用水中不同消毒剂条件如何影响这一复杂交互作用进而干预生物膜形成过程的认识尚不清晰.

因此,本文以饮用水细菌为研究对象,探讨了消毒剂浓度、管材类型以及表面粗糙程度对细菌附着行为的影响,并借助于基于表面热力学的XDLVO理论解析细菌与粗糙表面的交互作用过程.研究结果将有助于解析饮用水中消毒剂-微生物-管材间交互作用,进而为控制饮用水系统中细菌生长和生物膜的形成提供理论参考和技术支持.

1 材料与方法

1.1 实验前准备

为了探究管材对细菌附着的影响,选择了饮用水系统中常见的三种管材:聚氯乙烯(polyvinyl chloride)、聚乙烯(polyethylene)和不锈钢(stainless steel)管.每种载片材料被加工成两种粗糙度类型,分别标记为Ⅰ级和Ⅱ级.每个载片切割成棱台形,顶部为20mm´4.5mm,底部为20mm´6.5mm,厚度为2mm.以50kHz的频率进行超声处理(KQ5200DE,舒美,昆山)30min,以去除试样上的剩余碎屑,然后用超纯水冲洗两次,自然干燥,以便进一步分析.

实验水样来自合肥工业大学土木楼饮用水,打开水龙头流淌5min后,取水样5L.在室温下静置24h以除去水中余氯,实验前使用余氯仪(SYL-1,昕瑞,上海)进行测定,以保证水样中无余氯残留.用无菌去离子水将次氯酸钠(AR,6-14%,麦克林,上海)配制成不同浓度的氯溶液.

1.2 实验设置

本实验采用三组平行的烧杯作为反应器,其有效容积为500mL.所有器材在实验开始之前经过121°C高压蒸汽灭菌15min以及紫外线(20W)照射30min.为了分析管道材料和消毒剂对细菌附着行为的影响机制,本实验设置三种不同的氯浓度,分别为0.0,0.5和1.0mg/L.在烧杯(500mL)底部放置6个载片,分别标记为PVC-Ⅰ,PVC-Ⅱ,PE-Ⅰ,PE-Ⅱ, STS-Ⅰ,STS-Ⅱ.在实验开始时,加入500mL水样,并加入配置好的次氯酸钠溶液,氯浓度分别为0,0.5, 1.0mg/L(自由氯).将反应器静置于室温下,经过1d的培养,收集带有生物膜样本进行分析.每次实验至少重复3次,以保证实验结果的可靠性.

1.3 分析方法

1.3.1 载片粗糙度测定 使用三维激光测量显微镜(VK-X250,基恩士,日本)在适当的放大倍数下获得了试样表面的真实地形[16].用软件处理成像.为了表征试样表面的形貌,计算其表面粗糙度(S):

式中:为载片视野下的面积;(,)为载片视野下的高度函数.

根据分析软件处理,本文I级粗糙度代表较为光滑的表面,三种管材的粗糙度较为接近,其具体值分别为1.680mm(PVC-Ⅰ)、1.554mm(PE-Ⅰ)和1.152mm(STS-Ⅰ).II级为较为粗糙的表面,三种管材的粗糙度分别为12.063mm(PVC-Ⅱ)、18.541mm (PE-Ⅱ)、4.703mm(STS-Ⅱ).

1.3.2 生物膜提取 用灭菌的生理盐水轻柔地冲洗试样,以去除未附着细菌.用无菌的棉签擦除表面的附着细胞,将其放入含有5mL无菌生理盐水的试管中.通过超声处理,将附着细胞重新悬浮在溶液中.

为了测量细胞密度,用Live/Dead BacLight细菌活性试剂盒(L-7012,Invitrogen)对生物膜样品进行荧光染色,该试剂盒由Syto 9和碘化丙啶(PI)组成,用于活细胞和死细胞染色.将生物膜样品的细胞悬浮液稀释一定倍数(DM)取2.0mL装入离心管,然后在室温下黑暗中染色30min.之后,通过0.2mm黑色聚碳酸酯膜(直径=25mm)[17](Whatman, Nuclepore, Clifton, NJ)过滤染色样品.最后,使用倒置荧光显微镜(IX73,奥林巴斯,日本)以200倍(视野大小a´b= 0.7mm´0.5mm)的放大率观察过滤后的样品.统计10个视野中细菌个数取平均值(),根据视野中的数量计算载片表面附着细菌(cells/cm2),载片表面积(cm2)[18].

1.3.3 细菌和载片物理特性的测定 使用Zeta电位仪(Nano-ZS90,马尔文,英国)在25℃下测量散装水中悬浮细菌的Zeta电位和细菌流体动力学直径[19].同时,被粉碎的塑料(金属)经干燥和冷冻后测量的zeta电位被用来代表塑料(金属)载片的zeta电位[20].

根据Busscher等(1984)的做法,制作了测量细菌接触角的细菌基质.用0.45mm的醋酸纤维素膜过滤细菌细胞,最终浓度约为108个cells/mm2,然后将其放在半固体琼脂板上以保持活力.通过无柄滴技术,使用接触角仪(SCA20, Dataphysics,德国)在25℃下测量制备的载片和细菌基质的接触角.三种探针溶液(即去离子水、甘油和二碘甲烷)[21]作为润湿剂被应用.在测量过程中,每一种探针溶液都被缓慢地滴在一个给定的表面上,拍摄液滴的形状,并用SCA20 软件进行分析.

1.3.4 XDLVO相互作用能计算 首先,根据扩展的杨氏方程,细菌细胞和载片的表面张力参数和成分由测量的接触角确定,使用以下公式[22]:

式中:是接触角,tot,lw,1-,+ l分别是液体表面张力参数,表面张力非极性的参数,电子供体和电子受体参数.代表3种探针液体,包括水、甘油和二碘甲烷lw,,+ C和lw,,+ B是载片和细菌细胞的表面张力参数成分.

为了确定调节细胞与表面相互作用的载片表面物理化学特性对生物膜形成的影响,根据XDLVO理论计算细菌与粗糙表面之间的相互作用能.载片表面和细菌细胞之间的总XDLVO相互作用能量()被认为是利弗席兹-范德华项(Liftshitz-van der Waals interaction,lw,以下简称LW项)、静电作用项(Electrostatic interaction,el,以下简称EL项)、路易斯酸碱作用项(Lewis acid-base interaction,ab,以下简称AB项)之和,其是细胞-表面分离距离(H)的函数[22],可以描述如下.

式中:是介电常数(7.1´1010C/(V×m));和分别是载片zeta表面电位和细菌表面zeta电位;是体系扩散双电层厚度的倒数,由以下式(7)计算:

式中:是电子电能;是玻尔兹曼常数;是绝对温度;n是离子在本体溶液中的数量浓度,z是离子的价态.

为了说明潜在的氢键,在XDLVO理论中加入了短程酸碱相互作用.

式中:是AB相互作用在水中的特征衰减长度(0.6nm),DGAB y是酸碱相互作用能,由式(9)计算出来:

式中:+ W和是探针液体水的电子供体和电子受体的参数.

1.3.5 冗余分析 冗余分析(redundancy analysis, RDA)是一种回归分析结合主成分分析的排序方法,也是多响应变量回归分析的拓展.RDA分析是用来展现解释变量与响应变量之间关系,将粗糙度、消毒剂、AB项、EL项、LW项作为解释变量,生物量和XDLVO相互作用能作为响应变量,以上冗余分析在Canoco 5软件中完成.

2 结果

2.1 消毒剂对细菌在管材粗糙表面上附着行为的影响

由图1可见,投加消毒剂明显促进了细菌在管材表面的附着.当未投加消毒剂时,STS-Ⅰ表面附着细菌量为0.39´106cells/cm2;投加0.5mg/L和1.0mg/L氯时,其附着生物量分别上升至1.11´106、2.11´106cells/cm2(图1A).类似地,相较于未投加氯的条件,1.0mg/L氯导致PVC和PE上附着细菌数分别增加了4.28和5.66倍,这说明消毒剂的存在促进了细菌的附着行为.不难发现,无论消毒剂是否存在,PVC和PE上附着的生物量均大于STS,但在有氯的条件下,这一趋势更为显著.如在0.5mg/L氯,PVC、PE和STS上附着的生物量分别为2.08´106、1.66´106、1.11´106cells/cm2,这表明消毒剂的投加使得细菌更倾向于在塑料表面上的附着.不仅如此,氯的投加也显著提高塑料管材上附着细菌的存活率(图 1B).如在1.0mg/L氯时,PVC和PE上的存活率为83.7%和87.5%,而STS上仅为69.4%.

图1 不同消毒剂浓度下载片表面生物量和存活率的变化

(A)附着细菌量,(B)附着细菌的存活率

图2 不同消毒剂和表面粗糙度下载片表面生物量的增长倍数

相对于0.0mg/L下管材I级表面

除了材料类型,管材表面的物理特征也是影响细菌附着行为的重要因素[16-23].为探究管材表面粗糙程度对细菌附着行为的影响以及消毒剂在其中的作用,测定了在不同氯浓度下不同粗糙程度、不同管材类型上细菌的附着情况.增大管材表面的粗糙度显著促进细菌的附着行为(图2).具体地说,当没有氯存在时,增大PE管材的粗糙度,使得PE-II表面附着生物量增大1.52倍.类似地,PVC-II、STS-II表面上的生物量分别增大1.45和1.41倍.投加氯(1.0mg/L)使得PE-I和PE-II管材表面附着细菌量分别增大5.66和6.94倍.另外,PVC、STS管材表面细菌变化也呈现了类似的规律.1.0mg/L氯进一步促进了细菌的附着,且粗糙表面的附着量明显高于较光滑表面.如在1.0mg/L氯条件下,PE-Ⅰ和PE-Ⅱ上的附着细菌量分别为2.65´106、3.25´106cells/cm2,相较于未投加消毒剂时增长了5.66和4.62倍.这进一步说明消毒剂有助于细菌的表面附着,且随着管材粗糙度的增大,其促进作用更为显著.

2.2 消毒剂对细菌与管材粗糙表面间交互作用的影响

为进一步解析消毒剂如何介导细菌与粗糙表面的交互作用进而干预细菌的附着聚集过程,本文基于XDLVO理论计算了不同条件下细菌与管材表面间的相互作用能,结果如图3所示.氯的投加(1.0mg/L)导致细菌与聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)管材间的相互作用能发生了显著的变化,相较于无氯条件下其相互吸引作用能分别增大5.8倍和4.5倍(0.158nm).具体地说,没有氯存在时,细菌与PE-Ⅰ表面间的相互作用能为-3370.1kT,而投加氯导致其相互作用能增大至-19426.0kT(扩大5.8倍).此外,增大管材表面粗糙程度也增大了细菌与管材表面间吸引的相互作用能和降低了细菌与管材表面间的势垒.如在1.0mg/L氯条件下,PE-Ⅰ和PE-Ⅱ表面与细菌之间的相互作用能分别是-19426.0kT和-24930.1kT(0.158nm),且细菌与管材表面间的势垒从1.6kT下降到-2.6kT,与图2的实验结果相一致.这说明消毒剂的投加和增大管材粗糙程度均有助于提升细菌与管材表面的相互作用能,进而促进细菌在粗糙表面上的附着.没有氯投加时STS管材表面和细菌的XDLVO的相互作用能是大于零的(排斥),而1.0mg/L氯条件下,STS管材表面与细菌的相互作用能为吸引,如STS-Ⅰ表面从169.7kT变化为-11514.5kT(0.158nm).不难发现,无论在有无氯条件下,STS管材表面与细菌之间相互吸引作用能是小于PVC和PE管材表面与细菌之间的作用能,这与细菌更倾向于在塑料管材表面定殖的实验结果相一致(图1).

为了识别管材表面与细菌交互作用过程中的主导作用力,图4展示了不同氯浓度和粗糙表面下PE与细菌的各项作用能的变化.未投加氯时AB项随着粗糙度的增加呈现减小的趋势,从-3200.1kT降低至-5122.7kT(0.158nm).1.0mg/L氯加入后导致AB项从-18945.2kT下降到-24027.2kT(0.158nm),是无氯条件下的5.92和4.60倍.类似地,LW项也随着粗糙度的增加呈现略微减小的趋势,从-155.1kT降到-321.9kT(0.158nm).氯的加入导致其从-392.6kT降到-814.9kT(0.158nm),分别增大2.53和2.53倍.增大表面粗糙度并没有改变EL作用项,这是由于EL项是基于1mmol/L NaCl条件下计算出来的.然而,氯的投加导致EL项作用能增大5.95倍(0.158nm).

2.3 细菌在管材粗糙表面附着行为的关键驱动因子分析

为进一步明确细菌与管材表面相互作用力和附着行为的关键驱动因子,通过冗余分析(RDA)剖析影响因素与相互作用能和细菌附着量之间的内在关联,其中表面粗糙度、消毒剂浓度和关联AB、LW和EL作为解释参数.图 5A描述了近距离(1nm)处解释变量与总相互作用能和附着生物量之间的关系,其中RDA1和RDA2分别解释了总变化的93.54%和6.31%.第一轴主要是由AB项(AB)和氯定义,且这两个参数可以解释响应变量88.1%和9.6%的解释率.其中AB和LW项(LW)与总相互作用能(T)呈正相关,且AB项的重要程度明显大于LW项,而EL项(EL)与总相互作用能呈负相关.这表明近管材表面处,AB项在细菌与管材表面相互作用过程中占主导地位.如图5B所示,在15nm处,第一轴和第二轴解释了总变化的58.86%和40.14%,且细菌与管材表面的相互作用是由EL项和LW项驱动,与EL项呈正相关.值得注意的是,氯是细菌附着的主要驱动因子且与附着生物量呈正相关.

图3 不同消毒剂和粗糙表面下细菌与载片表面间XDLVO作用能

图4 不同消毒剂、粗糙表面下细菌与PE载片的各相互作用能

图5 冗余分析排序图显示了解释变量与总相互作用能和附着生物量之间的关系

3 机理讨论

饮用水中细菌处于恶劣的、动态变化的生态环境,通常倾向于附着聚集生长形成群体,以威胁饮用水水质安全.研究结果表明,氯的投加(£1.0mg/L)显著促进细菌在管材表面的附着行为.基于XDLVO理论解析表明,投加消毒剂提高了细菌与管材表面间的酸碱作用和范德华作用力,降低了细菌与塑料管材表面的作用势垒,增大了相互吸引作用能(扩大4～6倍),促进了细菌的表面附着.通过测定水体中细菌大小和zeta电位发现,1.0mg/L氯导致菌体从405.8nm(0.0mg/ L)增加到1095nm,而zeta电位从-12.7mV(0mg/L氯)下降-20.9mV,说明氯的投加显著促进了细菌在水体中的聚集,从而有利于生物膜的形成.不仅如此,细菌与粗糙表面的交互作用中的范德华、酸碱作用和静电排斥项均与菌体尺寸呈正比例关系,这表明氯的加入改变细菌的大小和电荷等特征,有助于增强细菌与粗糙表面的交互作用和细菌的附着行为.有研究表明,投加消毒剂会诱导细菌种群结构的改变[5],相应地改变细菌体表面特征以及细菌与管材表面间的范德华、酸碱作用和静电排斥相互作用项.此外,细菌也会通过改变自身的生理行为以应对外部环境的胁迫.Liu等[6-7]发现在低剂量的氯(0～1.0mg/L)中会促进细菌的运动和胞外聚合物的生成.胞外聚合物可通过改变载体和细菌表面的润湿性以及粘附强度,进而有助于细菌的附着聚集[18-24].

增大管材表面粗糙度进一步强化了消毒剂的促进效果.分析结果表明,增大管材表面粗糙程度强化了细菌与塑料管材间的酸碱作用能和范德华作用能,降低了能量势垒,进而有利于细菌的表面附着.此外,提高表面粗糙度增大了管材表面积,也改变其表面轮廓[25],提供给细菌更多的吸附位点以抵抗消毒剂灭活的影响[26].类似地,Ammar等[14]研究发现,增大粗糙表面凸起面积减少了细菌细胞和基质之间的能量屏障,促进了细菌的粘附行为.相较于不锈钢管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材强化了其与细菌表面吸引的交互作用能,有助于细菌的表面附着聚集.通过接触角分析显示,具有相同粗糙度的STS-Ⅰ、PE-Ⅰ和PVC-Ⅰ管材表面的接触角分别为77.4°(亲水)、92.6°(疏水)、104.4°(疏水),而疏水性材料具有较大的接触角和表面能,加强了细菌与管材表面的相互作用[19-27].此外,细菌与载体表面润湿性的差异程度也是干预其交互作用过程的驱动因素,接触角差异越大,越有利于细菌的附着行为[28].实验分析显示,在0.0mg/L和1.0mg/L氯条件下,饮用水细菌的接触角分别为35.4°(0.0mg/L)和56.6°(1.0mg/L).相比较于STS管材,PVC和PE管材与细菌的接触角差异更大,更有利于细菌的表面附着.值得注意的是,消毒剂的投加(1.0mg/L)使得细菌更倾向于附着聚集于塑料管材表面.究其原因,可能是不同管材类型通过改变氯的衰减过程干预其表面的细菌附着聚集过程[29].

4 结论

4.1 投加消毒剂(0.5mg/L和1.0mg/L氯)促进了细菌在管材表面的附着行为(相较于未投加时增大4～6倍),且细菌更倾向附着于塑料管材(PVC和PE);增大管材粗糙度进一步促进其附着行为.

4.2 投加消毒剂提高了细菌与塑料管材表面间的酸碱作用能和范德华作用能,降低了细菌与塑料管材表面的作用势垒,增大了相互吸引作用能(扩大4～6倍);增大管材表面粗糙程度进一步强化了这一交互过程,促进了细菌的表面附着.

4.3 相较于不锈钢管材,聚氯乙烯和聚乙烯管材促进了其与细菌表面的交互吸引作用能,特别在1.0mg/L氯条件下管材与细菌的相互作用能增加了4～6倍,进而有助于细菌的表面附着聚集.

4.4 冗余分析结果表明,消毒剂和酸碱作用项是细菌附着行为的主要驱动因子.

[1] Wingerder J and Flemming H-C. Contamination potential of drinking water distribution network biofilms [J]. Water Science and Technology 2004,49:277–286.

[2] Aggarwal S, Gomez-Smith C K, Jeon Y, et al. Effects of chloramine and coupon material on biofilm abundance and community composition in bench-scale simulated water distribution systems and comparison with full-scale water mains [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(22):13077-13088.

[3] Shen Y, Huang C H, Monroy G L, et al. Response of simulated drinking water biofilm mechanical and structural properties to long-term disinfectant exposure [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(4):1779-1787.

[4] van der Kooij D, van der Wielen P W J J. Microbial growth in drinking-water supplies: problems, causes, control and research needs [M]. IWA Publishing, 2013.

[5] Zhang X Y, Lin T, Jiang F C, et al. Impact of pipe material and chlorination on the biofilm structure and microbial communities [J]. Chemosphere, 2022,289:133218.

[6] Liu L, Le Y, Jin J L, et al. Chlorine stress mediates microbial surface attachment in drinking water systems [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2015,99(6):2861-2869.

[7] Liu L, Hu Q Y, Le Y, et al. Chlorination-mediated EPS excretion shapes early-stage biofilm formation in drinking water systems [J]. Process Biochemistry, 2017,55:41-48.

[8] Goraj W, Pytlak A, Kowalska B, et al. Influence of pipe material on biofilm microbial communities found in drinking water supply system [J]. Environmental Research, 2021,196:110433.

[9] Jiang H J, Choi Y J, Ka J O. Effects of diverse water pipe materials on bacterial communities and water quality in the annular reactor [J]. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2011,21(2):115-123.

[10] Li W Y, Tan Q W, Zhou W, et al. Impact of substrate material and chlorine/chloramine on the composition and function of a young biofilm microbial community as revealed by high-throughput 16S rRNA sequencing [J]. Chemosphere, 2020,242:125310.

[11] Ahmad M, Liu S, Mahmood N, et al. Effects of porous carrier size on biofilm development, microbial distribution and nitrogen removal in microaerobic bioreactors [J]. Bioresource Technology, 2017,234:360- 369.

[12] Kimkes T E P, Heinemann M. How bacteria recognise and respond to surface contact [J]. FEMS Microbiology Reviews, 2020,44(1):106- 122.

[13] Renner L D, Weibel D B. Physicochemical regulation of biofilm formation [J]. Mrs Bulletin, 2011,36(5):347-355.

[14] Ammar Y, Swailes D, Bridgens B, et al. Influence of surface roughness on the initial formation of biofilm [J]. Surface & Coatings Technology, 2015,284:410-416.

[15] Yuan Y, Hays M P, Hardwidge P R, et al. Surface characteristics influencing bacterial adhesion to polymeric substrates [J]. RSC Advances, 2017,7(23):14254-14261.

[16] De-la-Pinta I, Cobos M, Ibarretxe J, et al. Effect of biomaterials hydrophobicity and roughness on biofilm development [J]. Journal of Materials Science-Materials in Medicine, 2019,30(7):11.

[17] Boulos L, Prevost M, Barbeau B, et al. LIVE/DEAD BacLight: Application of a new rapid staining method for direct enumeration of viable and total bacteria in drinking water [J]. Journal of Microbiological Methods, 1999,37(1):77-86.

[18] Du B, Wang S D, Chen G W, et al. Nutrient starvation intensifies chlorine disinfection-stressed biofilm formation [J]. Chemosphere, 2022,295:133827.

[19] Ou Q, Xu Y, Li X, et al. Interactions between activated sludge extracellular polymeric substances and model carrier surfaces in WWTPs: A combination of QCM-D, AFM and XDLVO prediction [J]. Chemosphere, 2020,253:126720.

[20] Cai L, Wu D, Xia J H, et al. Influence of physicochemical surface properties on the adhesion of bacteria onto four types of plastics [J]. Science of the Total Environment, 2019,671:1101-1107.

[21] 黄翔峰,林兰娜,彭开铭.表面自由能在环境微生物粘附研究中的应用进展 [J]. 微生物学通报, 2016,43(7):1590-1597. HUANG X F, Lin L N, PENG K M. Progress on the application of surface free energy to the adhesion of environmental microorganisms. Microbiology China, 2016,43(7):1590–1597.

[22] Brant J A, Childress A E. Assessing short-range membrane–colloid interactions using surface energetics [J]. Journal of Membrane Science, 2002,203(1):257-273.

[23] Liu G, Verberk J, Van Dijk J C. Bacteriology of drinking water distribution systems: an integral and multidimensional review [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013,97(21):9265-9276.

[24] Talluri S N L, Winter R M, Salem D R. Conditioning film formation and its influence on the initial adhesion and biofilm formation by a cyanobacterium on photobioreactor materials [J]. Biofouling, 2020, 36(2):1-17.

[25] Anselme K, Davidson P, Popa A M, et al. The interaction of cells and bacteria with surfaces structured at the nanometre scale [J]. Acta Biomaterialia, 2010,6(10):3824-3846.

[26] Shen Y, Monroy G L, Derlon N, et al. Role of biofilm roughness and hydrodynamic conditions inadhesion to and detachment from simulated drinking water biofilms [J]. Environmental Science & Technology, 2015,49(7):4274-4282.

[27] Ji C C, Zhou H, Deng S K, et al. Insight into the adhesion propensities of extracellular polymeric substances (EPS) on the abiotic surface using XDLVO theory [J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021,9(6):106563.

[28] Al-Amshawee S, Yunus M Y B, Lynam J G, et al. Roughness and wettability of biofilm carriers: A systematic review [J]. Environmental Technology & Innovation, 2021,21:15.

[29] 张心悦,周克梅,刘 煜,等.供水管材对管壁生物膜特性和水质稳定性的影响 [J]. 中国给水排水, 2022,38(9):44-51. Zhang X Y, Zhou K M, Liu Y, et al. Effect of water supply pipe material on biofilm characteristics and water quality stability [J]. China water & wastewater, 2022,38(9):44–51.

Effect of chlorine on cell-surface interaction and bacterial adhesion behavior.

CAI Yin-nuo, LIU Li*, CHEN Guo-wei, ZHONG Shu-ying

(Department of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)., 2023,43(10)：5188～5195

In this study, disinfectant-shaped bacterial adhesion behaviors on pipes with various materials and roughness were examined to underpin the underlying mechanisms of bacterial surface attachment in drinking water. The interaction between bacteria and rough surfaces was analyzed via XDLVO (extended-Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) theory based on surface thermodynamics. The results showed that chlorine (£1.0mg/L) significantly promoted bacterial adhesion on pipe surfaces (with a 4～6times increment compared to the situation with no chlorine). Besides, bacterial cells tended to colonize the plastic surfaces and increasing surface roughness can further promote surface adhesion. The XDLVO-based theoretical analysis showed that 1.0mg/L chlorine increases the acid-base and van der Waals interaction terms between bacteria and pipe surfaces, which encourages surface adhesion behaviors. Increasing surface roughness further intensifies cell-surface interactions. Compared with stainless steel pipes, polyvinyl chloride and polyethylene surfaces can elevate the interaction energy with bacterial cells, particularly at 1.0mg/L chlorine, which further contributes to bacterial surface attachment and aggregation.

drinking water；disinfectant；water supply pipe material；surface roughness；XDLVO theory

X703

A

1000-6923(2023)10-5188-08

2023-03-02

安徽省自然科学基金资助项目(2208085US13)

* 责任作者, 教授, lliu@hfut.edu.cn

蔡寅诺(1998-),男,安徽淮南人,合肥工业大学硕士研究生,主要研究为饮用水细菌与管材粗糙表面交互作用.2258340456@qq.com.

蔡寅诺,刘 丽,陈国炜,等.氯对细菌与管材间交互作用及附着行为的影响 [J]. 中国环境科学, 2023,43(10):5188-5195.

CAI Yin-nuo, LIU Li, CHEN Guo-wei, et al. Effect of chlorine on cell-surface interaction and bacterial adhesion behavior [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5188-5195.