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浊度对紫外线灭活大肠杆菌和MS-2噬菌体的影响
张永吉 刘文君
（清华大学 环境科学与工程系 北京 100084）
摘要：以大肠杆菌和MS-2噬菌体为细菌和病毒的替代指标，考察了浊度及颗粒物的分布对紫外线灭活大肠杆菌和MS-2噬菌体的影响。研究结果表明，紫外线对大肠杆菌的灭活效率要高于对MS-2噬菌体的灭活效果，紫外线剂量为10mJ/cm2时，对大肠杆菌的灭活率为4.66个对数级，而对MS-2的灭活率仅为0.45个对数级；浊度对紫外线灭活大肠杆菌的效果有一定的影响，在浊度小于4NTU时，对灭活效果的影响较小，而浊度高于4NTU时，会对灭活效果产生明显的影响；颗粒物的分布对紫外线灭活大肠杆菌有不同的影响，以颗粒粒径大于5μm的对消毒效果影响较为明显，而颗粒粒径小于5μm的颗粒对紫外线消毒效果影响较小，综合不同颗粒物对消毒效果的影响可以认为，浊度对紫外线消毒效果的影响主要是由大于5μm的颗粒产生的浊度造成的；而对MS-2噬菌体的研究结果表明，浊度以及颗粒物的分布对紫外线的灭活效果没有明显影响。
关键词：紫外线 大肠杆菌 MS-2噬菌体 浊度 颗粒物
Effect of Turbidity on UV
Disinfection of E. coli and MS-2 Coliphage
ZHANG Yong-ji ,LIU Wen-jun
（Department of Environmental Science and
Engineering, Tsinghua University,Beijing
100084, China）
Abstract: E. coli and MS-2
coliphage were selected for assessing
ultraviolet disinfection experiment, the
effect of turbidity and different
particulate distribution on inactivation of
E. coli and MS-2 coliphage was
evaluated. Results showed that MS-2 is more
resist to UV irradiation than E.col.
the inactivation rate is 0.45log and 4.66log
respectively for MS-2 and E. coli at
a UV dose of 10mJ/cm2. Turbidity
will influence the inactivation rate of
E. coli when turbidity exceeded 4NTU.
And particulate distribution has different
influence on E. coli inactivation,
compared with that of <5μm fraction , >5μm
fraction has obvious influence on E. coli
inactivation. In our study,
turbidity and particulate distribution
didn’t have obviously effects on the
inactivation rate of MS-2 coliphage.
Key words: ultraviolet irradiate;
E. coli; MS-2 coliphage; turbidity;
particulate
消毒是保证饮用水微生物安全、保护人体健康的重要手段。紫外线消毒是一种安全有效的消毒技术，对许多氯难以灭活的微生物如贾第虫、隐孢子虫等具有良好的灭活效果，并且不产生消毒副产物，在国外，紫外线消毒在饮用水处理中已有多年的应用历史[1~6]。作为一种光化学消毒方法，浊度、色度、颗粒物、等影响光传播和对光有吸收的因素都会影响紫外线的消毒效果[7~9]。水中的浊度物质会造成紫外线的散射与折射，降低紫外线的穿透率，使到达微生物的紫外线剂量减少，从而对消毒效果产生一定的影响[10,
11]。水中浊度物质存在着不同的粒径分布，对紫外线消毒效果可能会产生不同的影响，本文用滤膜法将颗粒物分成不同部分，研究浊度中不同颗粒物分布对紫外线灭活大肠杆菌和MS-2噬菌体效果的影响情况。
1 试验材料与方法
1.1 试验装置
准平行光束仪（collimated beam apparatus,
福建新大陆公司生产），装置如图1所示，该装置按照国际紫外协会的标准设计，紫外灯管安装在一个封闭的圆柱体内，在筒体的底部中央开口，下方接一段长度为60cm，直径为8.8cm的圆管，其作用是产生平行紫外线，使得紫外线能够垂直到达样品的表面[12]。紫外灯管的功率40W，其中输出254nm波长紫外线的功率为13.8W。
1.2 试验水样
大肠杆菌（E. coli
1.3373）由中科院微生物所提供，MS-2噬菌体（15597-B1）及其宿主菌（E.
coli ATCC
15597）由加拿大GAP微生物公司提供。大肠杆菌用营养肉汤培养过夜后，经6000转/min的速度离心10min，弃去上清液，将沉淀物重新溶解于一定量的无菌生理盐水中，配制成107cfu/ml浓度的细菌溶液备用；MS-2噬菌体溶液是将噬菌体原液按试验要求稀释到107pfu/ml左右。浊度由高岭土和无菌生理盐水配制而成。颗粒物的分类采用膜过滤法，采用5μm的醋酸纤维滤膜过滤，将高岭土悬浮液通过滤膜过滤，滤膜截流下来的部分为>5μm部分，通过滤膜的部分为<5μm的部分，然后用无菌生理盐水将其稀释成不同的浊度，并加入107cfu/ml左右浓度的大肠杆菌和MS-2噬菌体。
1.3 试验方法
在Ф90mm的培养皿中放入40mL试验水样，放在准平行光束仪辐照窗下的磁力搅拌器上进行搅拌，打开遮光板照射一定时间后关闭遮光板，然后进行微生物检测，以未辐射的样品作为对照计算微生物的灭活率，其计算公式为：
灭活率=lg（No/N）
（1）
式中：No为消毒前水样中对照微生物个数；
N为紫外线照射一定时间后等量水样中剩余微生物个数。
大肠肝菌培养采用品红亚硫酸钠滤膜法，在37℃恒温培养箱中培养24h后计数。MS-2噬菌体的培养采用单层培养法；紫外线强度用UV-B型紫外辐照计（北京师范大学科学仪器厂生产）测定；浊度的测定采用HANNA1700型浊度仪测定。
紫外线剂量的计算如下：
Dose=I·t ???
（1）
Dose：紫外线剂量（mJ/cm2）；I：平均紫外强度（mw/cm2），根据国际紫外线协会提供的计算表格计算；t：照射时间（s）。
2 试验结果与讨论
2.1 紫外线对大肠杆菌和MS-2噬菌体的灭活效果
细菌和病毒是人们关注的饮用水微生物学指标，大肠杆菌和MS-2噬菌体通常用来作为细菌和病毒的替代指标，研究紫外线的灭活效果。图1是紫外线对大肠杆菌和MS-2噬菌体的灭活情况，从图中可以看出，紫外线对大肠杆菌的灭活效果要明显高于对MS-2噬菌体的灭活效果，在紫外线剂量为10
mJ/cm2时，对大肠杆菌的灭活效果为4.66个对数级，当紫外剂量为20
mJ/cm2时，灭活率高达6.75个对数级，而在相同的剂量下，对MS-2的灭活率仅为0.45和1.1个对数级。可见，MS-2噬菌体对紫外线具有非常明显的抗性，这也是人们选择MS-2噬菌体作为紫外线灭活效果验证微生物的原因[13,14]。
2.2 浊度对紫外线灭活大肠杆菌的影响
经过处理后的水中会含有一定量的颗粒物，形成一定的浊度。浊度存在时可使紫外光发生折射和反射，影响到达微生物表面光的强度，因而可能影响紫外线对微生物的灭活效果。图2是浊度对紫外线消毒效果的影响情况。可以看出，在浊度低于4NTU时，对灭活大肠杆菌的效果影响较小，当浊度超过4NTU以后，浊度对灭活效果影响就比较明显，特别是在较低紫外线剂量下浊度的影响更大，如浊度为9.5NTU时，3
mJ/cm2、5 mJ/cm2和10mJ/cm2的紫外剂量对大肠杆菌的灭活率分别为0.68、2.4和4.3个对数级，相对于浊度为0NTU的灭活率分别降低了1.45、0.83和0.36个对数级，可见浊度较高时对紫外线的灭菌效果影响是较大的。
图2 浊度对紫外线灭活大肠杆菌的影响
Fig.2 Effect of turbidity on UV inactive
E. coli
同时可以看出，随着紫外线剂量的增加，浊度对大肠杆菌灭活效果的影响就越不明显，因此，在浊度较高时，可以通过增加紫外线的照射剂量来提高对微生物灭活效果。
2.2 颗粒物粒径对紫外线灭活大肠杆菌的影响
水中颗粒物存在不同的粒径分布，对消毒效果的影响也会不同。图3是粒径分别为<5μm和>5μm的两种颗粒物所形成的浊度对紫外线灭活大肠杆菌的影响。从图中可以看出，不同颗粒物所形成的浊度对大肠杆菌的灭活效果影响不同，粒径>5μm的颗粒会对大肠杆菌的灭活效果会产生一定的影响，随着浊度的增加其影响就更加明显，如在紫外线剂量5
mJ/cm2时，浊度增加到3.55NTU时，其灭活率比浊度为0NTU时降低了0.42个对数级，浊度为12NTU时，灭活率降低了1.12个对数级；而粒径<5μm颗粒物所产生的浊度对大肠杆菌的灭活效果基本没有影响，即使浊度增加到12NTU时对大肠杆菌的灭活效果也基本没有影响。
图3 颗粒粒径分布对紫外线灭活大肠杆菌的影响
Fig.3 Effect of particulate distribution
on UV inactivation E. coli.
图4 水样中不同颗粒物所占的比例
Fig.4 Different particulate distribution
in water sample
比较图1和图2可以看出，图1中的曲线与图2中>5μm的颗粒物的影响情况相类似，可以推测，在该水样中可能主要是以>5μm的颗粒物为主。通过对配制水样中的颗粒物的分布情况进行研究也可以看出，在该水样中粒径<5μm的颗粒物的含量较低，而颗粒物粒径大于5μm的含量占到92%以上，说明在该水样中以粒径>5μm的颗粒物为主，因此其规律与>5μm水样的规律相似，所形成的浊度对紫外线灭活大肠杆菌的效果会产生一定影响。图5是在浊度为4NTU，紫外线剂量为5
mJ/cm2下，不同颗粒物的配比对紫外线灭活大肠杆菌的影响情况，可以看出，随着>5μm颗粒物含量的增加，消毒效果是逐渐降低的，一些研究也表明，颗粒物的直径>10μm时，会对大肠杆菌的的去除效果产生一定的影响，这与本研究的结论相类似
[15,16]。
2.3 浊度对紫外线灭活MS-2噬菌体的影响
图6是浊度对紫外线灭活MS-2噬菌体的影响情况。从图中可以看出，在不同的紫外线剂量下，浊度对紫外线灭活MS-2噬菌体基本没有影响，即使在较高的浊度时，对噬菌体的灭活效果也没形成明显的影响。Karl等人在研究水质情况对紫外线灭活MS-2噬菌体的试验中研究了低压汞灯和中压汞灯两种情况，认为无论是中压汞灯还是低压汞灯，浊度的存在都不会对紫外线灭活MS-2噬菌体产生影响[15]。
图6 浊度对紫外线灭活噬菌体MS-2的影响
Fig.6 Effect of turbidity on UV
inactivation MS-2 coliphage
图7考察了不同颗粒粒径的分布对紫外线灭活噬菌体的影响。与对大肠杆菌的影响情况不同，即使是粒径大于5μm的颗粒物对紫外线灭活MS-2噬菌体也没有明显的影响，与Karl的研究结论也是一致的。
图7 不同颗粒物的分布对灭活效果的影响
Fig.7 Effect of particulate distribution
on UV inactivation MS-2 coliphage
2.1 颗粒物对紫外线灭活微生物的影响原因探讨
紫外线的穿透能力较低，水中的颗粒物质会影响紫外线在水中的穿透率。水的浊度对紫外线灭活微生物的影响主要表现在两个方面，一方面浊度物质由于吸收、散射或者反射作用影响紫外线的穿透能力，从而降低了到达微生物表面的紫外线剂量；另一方面，颗粒物质可能会与微生物相结合，一些微生物可能进入到颗粒物的内部，使其避免了紫外线的照射，一些没有完全进入颗粒物内部的，接受紫外线照射的剂量也会减少，这些颗粒物对微生物起到屏蔽的作用，从而使灭活率偏低（如图8所示）。一些研究也表明，大肠杆菌会与大于10μm的颗粒物相互结合，颗粒物对大肠杆菌起到保护作用，使紫外线的灭活效果降低。
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图8 颗粒物对紫外线灭活大肠杆菌的影响
Fig.8 Effect of particulate on UV
inactivation E. coli. |
而颗粒物对MS-2噬菌体的影响与大肠杆菌的情况不同，其可能的原因是由于MS-2噬菌体不会吸附在颗粒物表面，以游离状态存在于水中；另外，由于在做MS-2噬菌体试验时所用的剂量均较高，已经克服了浊度对紫外线的不利影响，因而颗粒物对紫外线灭活MS-2噬菌体的效果影响较小，其具体机理需要进一步通过试验进行验证。
3 结论
（1）紫外线对大肠杆菌的灭活效果非常好，而对于MS-2噬菌体的灭活效果较差，外线剂量为10mJ/cm2时，对大肠杆菌的灭活率为4.66个对数级，而对MS-2的灭活率仅为0.45个对数级。
（2）浊度小于4NTU时，对紫外线灭活大肠杆菌效果的影响不大，随着浊度的增加，紫外线对大肠杆菌的灭活效果降低；浊度中颗粒物的分布情况对灭活效果有一定的影响，其中粒径>5μm的颗粒物对紫外线灭活大肠杆菌的效果影响较大。
（3）浊度对紫外线灭活MS-2噬菌体的效果基本没有影响，不同颗粒物的分布对紫外线灭活MS-2噬菌体的影响也较小。
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基金项目：高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金（200243）
作者简介：张永吉（1974-
），男，黑龙江哈尔滨人，博士。主要从事水质净化和消毒技术的研究工作。
通讯地址：清华大学环境科学与工程系，100084
电话：010-62774052, 62796958
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