以往人们采用传统的杀菌/抗菌剂通过杀死微生物细胞来抑制生物膜的形成(夏金兰等, 2004).在这些传统的抗菌剂中, 氯是目前世界上使用最广泛的饮用水消毒剂, 广泛用于饮用水处理和输配系统中(Kim et al., 2009).银离子和纳米银是应用广泛、杀菌效果优异的无机非金属杀菌剂(Rai et al., 2009).然而, 长期使用这些传统杀菌/抑菌剂往往会造成细菌耐药性的增加.
近年来有研究发现, 一些信号小分子物质参与生物膜形成与解体过程的调控(张志刚等, 2011).这些小分子通过非杀菌机制抑制生物膜, 因此, 不会产生细菌耐药性的问题.例如, 双(3-氨基丙基)胺能够直接地、特异性地和EPS中的胞外多糖发生反应, 从而抑制生物膜的形成(Si et al., 2014).香兰素通过抑制N-酰基-高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactone, AHL, acyl-HSL)来干扰细菌的群体感应(Quorum sensing, QS)系统, 从而抑制生物膜的形成(Ponnusamy et al., 2009).溴代呋喃酮通过和AHLs竞争受体蛋白, 或干扰呋喃酰硼酸二酯(Furan acyl boric acid ester, autoinducer-2, AI-2)来干扰细菌的QS系统, 从而抑制生物膜的形成(Jang et al., 2013; Shetye et al., 2013).
目前, 利用传统杀菌剂抑制单一纯菌生物膜形成的研究比较多, 而针对污水处理系统混合菌形成的复杂生物膜, 传统杀菌剂及小分子物质对其抑制效果尚不明确, 有待于深入研究.因此, 本研究选用银和氯作为传统抗菌剂, 选用双(3-氨基丙基)胺、香兰素和(Z-)-4-溴-5-(溴乙烯)-2(5H)-呋喃酮(BBF)作为小分子物质, 比较这些传统抗菌剂和小分子对污水处理系统中混合菌生物膜形成的抑制效应, 筛选效果较好的传统抗菌剂和小分子物质, 并通过测定传统抗菌剂和小分子物质对微生物生长的影响, 分析其抑制混合菌生物膜形成的可能机理, 以期为生物膜污染控制方法提供一定的理论基础.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 化学试剂和微生物
双(3-氨基丙基)胺和BBF购于Sigma Aldrich (St. Louis, MO), 香兰素购自生工生物工程上海(股份)有限公司.双(3-氨基丙基)胺、香兰素和BBF的化学结构见图 1.双(3-氨基丙基)胺和香兰素溶于超纯水, 实验过程中所用的超纯水(电导率为18.2 MΩ·cm)由Milli-Q梯度系统(Millipore, Bedford, MA)生产.BBF溶于纯乙醇(99%)制得40 mg·L-1的BBF储备液.
混合菌取自北京清河污水处理厂的活性污泥.活性污泥首先用磷酸盐缓冲溶液(PBS)冲洗3遍, 然后通过离心(5000 r·min-1)收集, 将收集的活性污泥重悬于配置的模拟废水中, 制备混合菌菌悬液(100 mg·L-1, 大约108 CFU·mL-1).模拟废水成分为(mg·L-1)：COD(以葡萄糖计算) 825, NH4Cl 192, KH2PO4 35.1, NaCl 100, MgSO4 100, CaCl2 10.
随着城市的快速发展, 城市不透水面积逐年增加, 由此导致的地表径流污染日益严重.地表积累的大量污染物在径流冲刷作用下进入城市水体, 加剧了城市水环境质量恶化(仇付国等, 2016;张红举等, 2010).与其他污染物相比, 地表径流中的溶解性有机物(Dissolved organic matter, DOM)是极为活跃的一种有机组分, 可作为许多有机、无机污染物的迁移载体或配位体, 影响其他污染物在环境中的毒性.据报道, DOM中移动性强的组分能够提高污染物在介质中的运移能力;反之, 如果DOM在迁移过程中易被介质吸附固定, 则可为污染物提供吸附位点, 从而降低与其相结合的污染物的迁移性或活性(王艮梅等, 2006).因此研究雨水径流中溶解性有机物的污染特性, 对深入分析其他污染物的迁移转化行为, 进而有效控制径流污染具有重要意义. 国外已有学者对地表雨水径流中DOM污染特性进行了研究.结果表明, 道路雨水径流中的DOM具有较高的分子量, 且能与雨水径流中的重金属离子进行结合, 从而改变重金属离子的生物利用有效性(Nason et al., 2012; Tushara Chaminda et al., 2010).截至目前, 我国对地表雨水径流DOM的污染特性研究甚少, 赵晨等采集了北京市商业区、住宅区和文教区雨水径流样品, 发现雨水径流DOM比天然降雨DOM的分子量更高、芳香性更强, 主要含有羟基、羧基、羰基、脂肪族/酚类羟基等官能团(Zhao et al., 2015).
有别于其他下垫面雨水径流, 城市道路雨水径流水质污染zui严重, 其初期冲刷径流污染严重程度甚至超过生活污水(申丽勤等, 2009).交通密度是影响城市道路路面雨水径流水质污染特征的主要因素, 机动车辆在交通活动中的尾气排放、刹车片和轮胎的摩擦、防冻剂使用等使道路雨水径流污染呈多样化、复杂化.但针对交通密度对城市道路路面雨水径流溶解性有机物污染特性的研究还鲜有报道;因此, 开展不同交通密度城市道路路面雨水径流DOM污染特性的研究是非常必要的.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 道路雨水径流样品采集
为考察北京市不同交通密度道路雨水径流DOM特性, 选取北京市西城区车公庄大街和大兴区北京建筑大学园区道路雨水篦进行雨水径流样品采集, 道路A车公庄大街的交通密度远高于道路B北京建筑大学园区道路.两处道路下垫面、车流量状况等详见表 1.
生物膜是由附着于固体载体表面的微生物和其自身分泌的胞外聚合物(EPS)所形成的结构性微生物群落(Costerton et al., 1999).有害生物膜的形成会给很多领域带来不利影响, 如医疗器械表面的生物膜会造成病人感染(Zodrow et al., 2012), 饮用水管网污染生物膜会造成管道腐蚀及水污染(Percival et al., 1999;Shaw et al., 2014), 生物膜还会造成净水设备膜材料表面污染(Yu et al., 2012), 因此, 如何有效抑制有害生物膜的形成成为很多领域面临的严峻挑战.