2018-06-15
最近，派森诺生物与浙江大学合作，在《Water Research》（影响因子：6.942）发表论文，研究了各种实验环境下，饮用水分配系统（Drinking water distribution system，DWDS）中微生物主导的2,4,6-三氯苯甲醚（Trichloroanisole，TCA）的形成过程，建立了相关动力学模型，并系统评估了管道材料、流速、温度和残余氯对2,4,6-TCA形成的影响。
研究背景
饮用水的味道和气味（T&O）问题普遍存在，关注度高。在饮用水供应中，检测到由包括土臭素（GSM，土味）、2-甲基异冰片（2-MIB，霉味）和2,4,6-三氯茴香醚（2,4,6-TCA，霉味/发霉）等多种主要化合物引起的T&O。以往的研究主要集中在常见微生物如放线菌、蓝藻和真菌等产生的GSM和2-MIB，而对饮用水中2,4,6- TCA形成的研究较少。由于2,4,6-TCA在水处理和分配系统中的普遍性和对公共健康的潜在危害性，其形成动力学、机制和环境效应备受关注。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区测序、真菌ITS1区测序
实验对象：浙江大学DWDS试点系统
实验设计：DWDS系统由三种材料制成的封闭环组成，包括聚乙烯（PE）、不锈钢和球墨铸铁，尺寸约为80米，直径为150毫米。试验前，将试验DWDS中的回路用城市淡水冲洗40分钟。将2,4,6-TCP溶液分别注入PE、不锈钢和球墨铸铁的3根管中，最终浓度为0.2 mg/L。在每个环中加入NaClO，最终浓度为3mg /L，研究残余氯对2,4,6-TCA生成的影响。将一个100 mL的水样收集在容量瓶中用于2,4,6-TCA分析，1 mL样品收集在琥珀瓶中用于2,4,6-TCP分析。实验过程中，以预先确定的时间间隔收集样品，并在试验DWDS中加入NaClO的同时测量样品中的残余氯。实验后，通过用无菌棉签擦拭管壁内部区域并悬浮在30mL无菌水中，用于16S rRNA基因和ITS1区测序，从而在每个系统中收集重复的生物膜样品。
研究结果
1、2,4,6-TCA的动力学形成
随着反应时间从0增加到50 h，2,4,6-TCA的浓度逐渐从0 ng/L增加到31.3 ng/L的最大值。然而，通过在无菌容器中加入0.2 mg/L的前体2,4,6-TCP，在对照试验中未检测到2,4,6-TCA。这表明DWDS管壁上附着的微生物是2,4,6-TCA的主要生产者。反应50 h后，只有10%的2,4,6-TCP降解或转化为2,4,6-TCA，表明2,4,6-TCP到2,4,6-TCA的转化率相对较低。由于前体2,4,6-TCP的浓度很高，在实验中可视为常数，因此建立了准一级动力学模型，描述了2,4,6-TCA在DWDS中的形成情况如下：
2、水分配影响因素
2.1管道材料
球墨铸铁管和不锈钢管（[TCA]max分别为385.00和320.01 ng/L）比PE管（[TCA]max为96.97 ng/L）产生更多的2,4,6-TCA。
2.2温度
在这三种管材中，2,4,6-TCA的形成都是在相对较高的温度（30℃）下进行的，增长率为7.23-53.50%。拟合动力形成学曲线后，发现2,4,6-TCA形成的拟一级速率常数也随着温度的升高而增加，这与Arrhenius定律相一致；在较高的温度下，形成曲线趋于稳定。
2.3流速
为了估算DWDS中的液压变化对2,4,6-TCA形成的影响，将流速调节为0.1 m/s，0.6 m/s和1.4 m/s，分别代表停滞，经济和高速度。在5 h的反应时间和20 ℃的温度下，在DWDS中生成的2,4,6-TCA浓度随着这三种管道的流速增加而增加。随流速的增加，2,4,6-TCA组的拟一级速率常数也增加。实际全尺寸DWD在采用低流速时具有较长的保留时间，有利于管壁微生物的生长。
2.4残余氯
为了测试残余氯对DWDS中2,4,6-TCA形成的影响，将3 mg/L的NaClO加入到试验DWDS中，并且发现所产生的2,4,6-TCA浓度降低了24.27-39.68％。一方面，氯可以通过直接与茴香醚反应生成氯茴香醚，或者在水中与天然有机质（NOM）反应生成2,4,6-TCA。然而，在自来水氯化形成测试中没有检测到2,4,6-TCA，表明氯在调查的条件下产生2,4,6-TCA的作用很小。另一方面，氯可以通过抑制生物膜的微生物活性或氧化/氯化前体2,4,6-TCP来抑制2,4,6-TCA的形成。
3、2,4,6-TCA形成的微生物机制
管壁上的生物膜是DWDS中2,4,6-TCA的主要来源，管材是决定2,4,6-TCA形成水平的关键因素。
3.1 细菌数量
用HPC方法估计测定细菌的数量，PE、不锈钢和球墨铸铁的管壁上分别为(3.74±0.65)*104、(2.22±0.41)*105和(3.50±0.51)*105CFU/cm2。三种管材的细菌数量级与形成的2,4,6-TCA浓度的数量级一致，表明微生物生物量可作为评估DWDS中2,4,6-TCA形成潜力的替代参数。该研究结果也观察到不锈钢或球墨铸铁管的细菌数量比PE管高一个数量级。
3.2 微生物群落组成和多样性
细菌微生物被鉴定划分到40个门，112个纲，213个目，356个科和559个属；真菌微生物划分到13个门，39个纲，101个目，209个科和368个属。在管材方面，PE具有较高的细菌群落多样性和丰富度，球墨铸铁真菌多样性比较高，而不锈钢中细菌和真菌多样性相对较低。Beta多样性分析表明，球墨铸铁和不锈钢的微生物群落与PE的微生物群落具有较高的相似性。metastats分析表明，三种管壁生物膜的门和属之间存在着显著差异。研究发现，22个门和233个属在细菌群落中丰度存在显著差异，分别占门和属的55%和42%。真菌群落中差异微生物较少，2个门和31个属丰度差异较大，分别占门和属的15%和8%。
图1 （a）细菌和（b）真菌群落在试验DWDS的生物膜中的分类等级树分析。 排名前20的优势类群标有字母A-T
图2 试验DWDS生物膜中的微生物群落丰度中具有显著差异分类单元：细菌微生物组的门（a）和属（b）以及真菌微生物组的门（c）和属（d）
3.3 产2,4,6-TCA的微生物组合
共鉴定出6个细菌属和11个真菌属具有产生2,4,6-TCA的潜力，分别在细菌和真菌中具有2.33-3.17%和14.92-32.92%的相对丰度。大多数2,4,6-TCA产生属在三种管壁上具有相对高的丰度和显著不同的分布。在试验DWDS的生物膜中产生2,4,6-TCA的微生物组合具有很强的生存能力，能够在各种环境条件下生存。网络分析表明，2,4,6-TCA产生属和其他优势属之间可能存在多重协同作用。其中一些协作关联可能有利于2,4,6-TCA的生产。PE、不锈钢和球墨铸铁管壁上6种潜在2,4,6-TCA产生菌的总量分别为1176.56、7040.10和8173.40 CFU/cm2，这与三种管材的2,4,6-TCA形成量一致。
图3 试验DWDS生物膜中潜在2,4,6-TCA产生属的丰度热图
图4 在生物膜试点DWDS网络分析潜在2,4,6-TCA生产属与其他优势属（最丰富的前50）
3.4 CPOMTs酶的微生物活性
CPOMTs催化了2,4,6-TCA的微生物生成，CPOMTs的微生物活性直接决定了2,4,6-TCA的形成潜力。从KEGG（KO）数据库中，根据它们的Phenol-O-methylation能力筛选出21种潜在的CPOMTs。基于KO数据库的PICRUSt分析发现了两个潜在的CPOMTs。两种潜在的CPOMTs在三种材料管材上的总活动顺序为球墨铸铁>不锈钢>PE。因此，本研究证实了DWDS中2,4,6-TCA的形成潜力与属微生物活性和酶水平之间的联系。
4、2,4,6-TCA防治的讨论
通过对2,4,6-TCA微生物形成的机理研究，为制定防治策略提供了重要的信息。表面相对光滑的PE管生物膜的生物量比表面粗糙的球墨铸铁或不锈钢管要低得多。在实际应用中，为DWDS设计的管道产品的生物膜生产潜力和2,4,6-TCA形成潜力有必要被检测，并将结果作为评价和选择的重要标准。此外，一些具有抗菌性能的新型管材的研发是解决T&O问题的有效途径。
总结
本研究表明，管材、温度、流速、残余氯等多种水分配因素都能影响2,4,6-TCA的形成。球墨铸铁和不锈钢管道比PE管产生更多的2,4,6-TCA。经过Illumina MiSeq高通量测序的群落分析，发现球墨铸铁和不锈钢的微生物群落具有较高的相似性。DWDS中2,4,6-TCA形成的主要机制是生物膜中微生物对前体2,4,6-TCP的O-甲基化。
文章索引：
Kejia Zhang , Cong Cao , Xinyan Zhou , Feifei Zheng , Youmin Sun , Zhengqing Cai ,
Jie Fu (2018).Pilot investigation on formation of 2,4,6-trichloroanisole via microbial
O-methylation of 2,4,6-trichlorophenol in drinking water distribution system: An insight into microbial mechanism .Water Research 131(2018) 11–21.
点击阅读原文，添加原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135417310084
