2.3 DON分子量及親疏水性變化

選取出水DON濃度相對穩(wěn)定的4.5 h水樣進行分子量分布及親疏水性測定，結(jié)果如圖6所示。試驗原水以小分子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%?？瞻自囼灲MDON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，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物與氯反應(yīng)轉(zhuǎn)化為小分子有機物。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，與空白試驗組相比，當(dāng)加氯量為3 mg/L時，親水性DON比例由69.8%增加至88.2%。疏水性有機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等對加氯消毒后有機物熒光光譜的研究結(jié)果表明，氯能與水中部分有機物發(fā)生反應(yīng)，將大分子芳香族有機物轉(zhuǎn)化成了小分子親水性有機物。綜上所述，加氯后能夠?qū)⑺w中DON轉(zhuǎn)化為分子量更小，親水性更強的有機物。

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行16S r RNA測序分析。采用Uclust軟件將DNA系列進行聚類分析，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。空白試驗組的生物膜樣品中得到268個OTU，當(dāng)加氯量小于1.5 mg/L時，OTU指數(shù)較空白組大;當(dāng)加氯量大于2 mg/L時，OTU指數(shù)明顯降低。通過對樣品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)，對微生物在門和屬水平上的群落結(jié)構(gòu)組成進行分析，結(jié)果如圖7所示。生物膜中優(yōu)勢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，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，對于水體中有機物的降解及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，厚壁菌門占比由20.1%上升至49.4%。厚壁菌門細菌均為革蘭氏陽性菌，細胞壁中的肽聚糖結(jié)構(gòu)使其具有較強的抗沖擊能力，因此，當(dāng)加氯量增加后，非耐氯菌大量失活死亡，厚壁菌門細菌逐漸成為優(yōu)勢菌并大量繁殖。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，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)報道。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)加氯量在1.5 mg/L以下時，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)在一定程度上會促進微生物多樣性升高，而較高濃度的氯(>1.5 mg/L)則會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