最近，派森(sen)諾生物與(yu)浙江大學合(he)作，在《Water Research》（影響(xiang)因子：6.942）發表論(lun)文，研(yan)究了各種實驗環境(jing)下，飲用(yong)水分配系(xi)統（Drinking water distribution system，DWDS）中微生物主導的2,4,6-三(san)氯(lv)(lv)苯甲醚(mi)（Trichloroanisole，TCA）的形(xing)成(cheng)(cheng)過(guo)程，建立了相(xiang)關動力(li)學模型，并系(xi)統評估了管道材(cai)料、流速、溫度和(he)殘余氯(lv)(lv)對2,4,6-TCA形(xing)成(cheng)(cheng)的影響(xiang)。

研究背景

飲用(yong)水(shui)的(de)味道和(he)氣味（T&O）問題普遍存在，關(guan)(guan)注(zhu)度(du)高(gao)。在飲用(yong)水(shui)供應(ying)中，檢測到由(you)包(bao)括土臭素（GSM，土味）、2-甲基(ji)異(yi)冰片(pian)（2-MIB，霉(mei)味）和(he)2,4,6-三氯茴香醚(mi)（2,4,6-TCA，霉(mei)味/發霉(mei)）等多(duo)種(zhong)主要化合物引(yin)起的(de)T&O。以往的(de)研究主要集(ji)中在常見微(wei)生(sheng)物如放(fang)線菌(jun)、藍(lan)藻(zao)和(he)真菌(jun)等產(chan)生(sheng)的(de)GSM和(he)2-MIB，而對飲用(yong)水(shui)中2,4,6- TCA形成的(de)研究較(jiao)少。由(you)于(yu)2,4,6-TCA在水(shui)處(chu)理和(he)分(fen)配系統中的(de)普遍性和(he)對公(gong)共(gong)健(jian)康的(de)潛在危害(hai)性，其形成動力學、機制和(he)環境(jing)效應(ying)備受關(guan)(guan)注(zhu)。

研究方法

測序技術：Illumina MiSeq高通(tong)量(liang)測序平臺

測序(xu)(xu)模式：微生物(wu)組細菌16S rRNA基因(yin)V3-V4區測序(xu)(xu)、真(zhen)菌ITS1區測序(xu)(xu)

實驗對(dui)象：浙(zhe)江大學DWDS試(shi)點系統(tong)

實(shi)(shi)驗(yan)設計：DWDS系(xi)統由三種材料制(zhi)成(cheng)的封(feng)閉環(huan)(huan)組(zu)成(cheng)，包括聚乙烯（PE）、不銹鋼和(he)球墨(mo)鑄鐵，尺寸約為(wei)80米，直徑為(wei)150毫米。試驗(yan)前(qian)，將試驗(yan)DWDS中(zhong)(zhong)(zhong)的回路用(yong)(yong)城市(shi)淡水(shui)沖洗40分(fen)鐘。將2,4,6-TCP溶液分(fen)別(bie)注入(ru)(ru)PE、不銹鋼和(he)球墨(mo)鑄鐵的3根(gen)管中(zhong)(zhong)(zhong)，最終濃(nong)度為(wei)0.2 mg/L。在(zai)(zai)(zai)每個(ge)環(huan)(huan)中(zhong)(zhong)(zhong)加入(ru)(ru)NaClO，最終濃(nong)度為(wei)3mg /L，研究殘余(yu)氯對2,4,6-TCA生成(cheng)的影響。將一個(ge)100 mL的水(shui)樣(yang)(yang)(yang)(yang)收集在(zai)(zai)(zai)容(rong)量瓶(ping)中(zhong)(zhong)(zhong)用(yong)(yong)于(yu)2,4,6-TCA分(fen)析，1 mL樣(yang)(yang)(yang)(yang)品收集在(zai)(zai)(zai)琥珀瓶(ping)中(zhong)(zhong)(zhong)用(yong)(yong)于(yu)2,4,6-TCP分(fen)析。實(shi)(shi)驗(yan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，以預先確定(ding)的時間間隔收集樣(yang)(yang)(yang)(yang)品，并(bing)在(zai)(zai)(zai)試驗(yan)DWDS中(zhong)(zhong)(zhong)加入(ru)(ru)NaClO的同時測量樣(yang)(yang)(yang)(yang)品中(zhong)(zhong)(zhong)的殘余(yu)氯。實(shi)(shi)驗(yan)后，通過用(yong)(yong)無菌(jun)棉(mian)簽(qian)擦拭管壁內部(bu)區域(yu)并(bing)懸浮在(zai)(zai)(zai)30mL無菌(jun)水(shui)中(zhong)(zhong)(zhong)，用(yong)(yong)于(yu)16S rRNA基因和(he)ITS1區測序(xu)，從而(er)在(zai)(zai)(zai)每個(ge)系(xi)統中(zhong)(zhong)(zhong)收集重復的生物膜樣(yang)(yang)(yang)(yang)品。

研究(jiu)結(jie)果

1、2,4,6-TCA的動(dong)力學形成

隨著(zhu)反應時間(jian)從(cong)0增加(jia)到(dao)50 h，2,4,6-TCA的(de)(de)濃度逐漸(jian)從(cong)0 ng/L增加(jia)到(dao)31.3 ng/L的(de)(de)最大值。然(ran)而，通過在(zai)無(wu)菌容(rong)器(qi)中加(jia)入0.2 mg/L的(de)(de)前(qian)體2,4,6-TCP，在(zai)對照試驗中未檢測到(dao)2,4,6-TCA。這表明(ming)DWDS管壁上附著(zhu)的(de)(de)微(wei)生物是2,4,6-TCA的(de)(de)主(zhu)要生產者。反應50 h后(hou)，只有10%的(de)(de)2,4,6-TCP降解或轉化為(wei)(wei)2,4,6-TCA，表明(ming)2,4,6-TCP到(dao)2,4,6-TCA的(de)(de)轉化率相(xiang)對較(jiao)低(di)。由于(yu)前(qian)體2,4,6-TCP的(de)(de)濃度很高，在(zai)實(shi)驗中可視為(wei)(wei)常數，因此建立了準一級動力(li)學模(mo)型，描述了2,4,6-TCA在(zai)DWDS中的(de)(de)形成情況如(ru)下：

2、水分配影響因(yin)素

2.1管道材料

球墨(mo)鑄鐵(tie)管和(he)(he)不銹鋼管（[TCA]max分別為385.00和(he)(he)320.01 ng/L）比PE管（[TCA]max為96.97 ng/L）產生更(geng)多的2,4,6-TCA。

2.2溫度

在(zai)這三種(zhong)管材中(zhong)，2,4,6-TCA的形(xing)(xing)成(cheng)都(dou)是在(zai)相對較(jiao)高的溫度（30℃）下進行的，增長率(lv)為7.23-53.50%。擬(ni)合動力形(xing)(xing)成(cheng)學曲(qu)線(xian)后，發現2,4,6-TCA形(xing)(xing)成(cheng)的擬(ni)一級速率(lv)常數也隨著溫度的升高而增加，這與Arrhenius定(ding)(ding)律(lv)相一致；在(zai)較(jiao)高的溫度下，形(xing)(xing)成(cheng)曲(qu)線(xian)趨于穩定(ding)(ding)。

2.3流(liu)速

為(wei)了估算DWDS中的(de)液壓變化對2,4,6-TCA形成的(de)影響，將流速(su)(su)(su)調節(jie)為(wei)0.1 m/s，0.6 m/s和(he)1.4 m/s，分別代表停滯，經濟和(he)高速(su)(su)(su)度。在(zai)5 h的(de)反應時(shi)間和(he)20 ℃的(de)溫度下，在(zai)DWDS中生成的(de)2,4,6-TCA濃度隨(sui)著(zhu)這三種管道的(de)流速(su)(su)(su)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)加。隨(sui)流速(su)(su)(su)的(de)增(zeng)(zeng)加，2,4,6-TCA組的(de)擬一(yi)級速(su)(su)(su)率常數(shu)也增(zeng)(zeng)加。實際全尺寸DWD在(zai)采用低流速(su)(su)(su)時(shi)具(ju)有較長(chang)的(de)保留時(shi)間，有利于管壁(bi)微(wei)(wei)生物(wu)的(de)生長(chang)。

2.4殘余氯

為了測(ce)試(shi)(shi)殘(can)余氯對(dui)DWDS中2,4,6-TCA形成的(de)(de)(de)(de)影響，將3 mg/L的(de)(de)(de)(de)NaClO加入到(dao)(dao)試(shi)(shi)驗DWDS中，并(bing)且發現(xian)所產(chan)生的(de)(de)(de)(de)2,4,6-TCA濃度降(jiang)低了24.27-39.68％。一方面，氯可以通(tong)過直接與茴香醚反(fan)應生成氯茴香醚，或者在水中與天然有機質（NOM）反(fan)應生成2,4,6-TCA。然而，在自來(lai)水氯化形成測(ce)試(shi)(shi)中沒有檢測(ce)到(dao)(dao)2,4,6-TCA，表明氯在調查的(de)(de)(de)(de)條件下產(chan)生2,4,6-TCA的(de)(de)(de)(de)作用很小。另一方面，氯可以通(tong)過抑制生物(wu)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)微(wei)生物(wu)活(huo)性或氧(yang)化/氯化前體(ti)2,4,6-TCP來(lai)抑制2,4,6-TCA的(de)(de)(de)(de)形成。

3、2,4,6-TCA形成的(de)微(wei)生(sheng)物機制

管(guan)壁上的(de)(de)生物(wu)膜是DWDS中2,4,6-TCA的(de)(de)主(zhu)要(yao)來源，管(guan)材是決定2,4,6-TCA形成水平的(de)(de)關(guan)鍵(jian)因素。

3.1 細菌數(shu)量

用HPC方法估計測定細(xi)菌的(de)(de)數(shu)(shu)量(liang)，PE、不銹鋼和(he)球墨鑄鐵的(de)(de)管(guan)壁上(shang)分別為(wei)(3.74±0.65)*104、(2.22±0.41)*105和(he)(3.50±0.51)*105CFU/cm2。三種(zhong)管(guan)材的(de)(de)細(xi)菌數(shu)(shu)量(liang)級(ji)與形成的(de)(de)2,4,6-TCA濃度的(de)(de)數(shu)(shu)量(liang)級(ji)一致(zhi)，表明微生(sheng)物生(sheng)物量(liang)可(ke)作為(wei)評估DWDS中2,4,6-TCA形成潛力的(de)(de)替代(dai)參數(shu)(shu)。該研究結果也觀察到(dao)不銹鋼或球墨鑄鐵管(guan)的(de)(de)細(xi)菌數(shu)(shu)量(liang)比PE管(guan)高一個數(shu)(shu)量(liang)級(ji)。

3.2 微(wei)生(sheng)物群落組(zu)成和多樣性

細菌微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)被鑒定劃分(fen)到(dao)40個(ge)(ge)門，112個(ge)(ge)綱，213個(ge)(ge)目，356個(ge)(ge)科和(he)(he)(he)559個(ge)(ge)屬；真(zhen)菌微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)劃分(fen)到(dao)13個(ge)(ge)門，39個(ge)(ge)綱，101個(ge)(ge)目，209個(ge)(ge)科和(he)(he)(he)368個(ge)(ge)屬。在(zai)管材方面，PE具有(you)較(jiao)高的(de)(de)細菌群(qun)落(luo)(luo)(luo)多(duo)樣(yang)性(xing)(xing)和(he)(he)(he)豐富(fu)度(du)，球墨鑄鐵(tie)真(zhen)菌多(duo)樣(yang)性(xing)(xing)比(bi)較(jiao)高，而不銹(xiu)鋼中細菌和(he)(he)(he)真(zhen)菌多(duo)樣(yang)性(xing)(xing)相對較(jiao)低(di)。Beta多(duo)樣(yang)性(xing)(xing)分(fen)析(xi)表(biao)明(ming)，球墨鑄鐵(tie)和(he)(he)(he)不銹(xiu)鋼的(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)落(luo)(luo)(luo)與PE的(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)落(luo)(luo)(luo)具有(you)較(jiao)高的(de)(de)相似性(xing)(xing)。metastats分(fen)析(xi)表(biao)明(ming)，三種管壁生(sheng)物(wu)膜(mo)的(de)(de)門和(he)(he)(he)屬之(zhi)間(jian)存在(zai)著(zhu)顯(xian)著(zhu)差(cha)(cha)異(yi)(yi)。研究發現，22個(ge)(ge)門和(he)(he)(he)233個(ge)(ge)屬在(zai)細菌群(qun)落(luo)(luo)(luo)中豐度(du)存在(zai)顯(xian)著(zhu)差(cha)(cha)異(yi)(yi)，分(fen)別占門和(he)(he)(he)屬的(de)(de)55%和(he)(he)(he)42%。真(zhen)菌群(qun)落(luo)(luo)(luo)中差(cha)(cha)異(yi)(yi)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)較(jiao)少，2個(ge)(ge)門和(he)(he)(he)31個(ge)(ge)屬豐度(du)差(cha)(cha)異(yi)(yi)較(jiao)大，分(fen)別占門和(he)(he)(he)屬的(de)(de)15%和(he)(he)(he)8%。

圖1 （a）細(xi)菌和（b）真菌群落在試驗DWDS的生物膜(mo)中的分類(lei)等級樹分析。 排名(ming)前20的優勢類(lei)群標(biao)有字(zi)母A-T

圖2 試驗DWDS生(sheng)物膜中的(de)微(wei)生(sheng)物群落豐度中具有顯著差(cha)異分(fen)類單元：細菌微(wei)生(sheng)物組(zu)的(de)門（a）和屬(shu)（b）以及真菌微(wei)生(sheng)物組(zu)的(de)門（c）和屬(shu)（d）

3.3 產2,4,6-TCA的微生物組合(he)

共鑒定出6個細(xi)(xi)菌屬(shu)和11個真菌屬(shu)具(ju)有產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)2,4,6-TCA的潛(qian)力(li)，分(fen)別(bie)在(zai)(zai)細(xi)(xi)菌和真菌中具(ju)有2.33-3.17%和14.92-32.92%的相(xiang)對(dui)豐度。大多(duo)數2,4,6-TCA產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)屬(shu)在(zai)(zai)三(san)種(zhong)管壁(bi)上(shang)(shang)具(ju)有相(xiang)對(dui)高的豐度和顯(xian)著(zhu)不同(tong)的分(fen)布。在(zai)(zai)試驗DWDS的生(sheng)(sheng)物(wu)膜中產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)2,4,6-TCA的微生(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)合具(ju)有很(hen)強的生(sheng)(sheng)存(cun)(cun)能(neng)力(li)，能(neng)夠在(zai)(zai)各種(zhong)環境條件下生(sheng)(sheng)存(cun)(cun)。網(wang)絡分(fen)析表明，2,4,6-TCA產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)屬(shu)和其他優勢屬(shu)之間可(ke)能(neng)存(cun)(cun)在(zai)(zai)多(duo)重協(xie)同(tong)作用(yong)。其中一些協(xie)作關聯可(ke)能(neng)有利于(yu)2,4,6-TCA的生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)。PE、不銹鋼和球(qiu)墨鑄鐵管壁(bi)上(shang)(shang)6種(zhong)潛(qian)在(zai)(zai)2,4,6-TCA產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)菌的總量分(fen)別(bie)為1176.56、7040.10和8173.40 CFU/cm2，這與(yu)三(san)種(zhong)管材的2,4,6-TCA形成量一致。

圖3 試驗(yan)DWDS生(sheng)物膜(mo)中潛在(zai)2,4,6-TCA產生(sheng)屬(shu)的(de)豐度(du)熱圖

圖(tu)4 在生(sheng)物膜試點(dian)DWDS網(wang)絡分析潛在2,4,6-TCA生(sheng)產屬與其(qi)他優勢屬（最豐富的(de)前50）

3.4 CPOMTs酶(mei)的微生物活性

CPOMTs催化(hua)了2,4,6-TCA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)生(sheng)成，CPOMTs的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)活性直接決定了2,4,6-TCA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成潛(qian)(qian)力(li)。從KEGG（KO）數據(ju)庫中(zhong)，根據(ju)它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Phenol-O-methylation能力(li)篩選出21種(zhong)潛(qian)(qian)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CPOMTs。基于KO數據(ju)庫的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)PICRUSt分析發現了兩個潛(qian)(qian)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CPOMTs。兩種(zhong)潛(qian)(qian)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CPOMTs在(zai)(zai)(zai)三種(zhong)材(cai)料管材(cai)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)總活動順(shun)序為(wei)球墨鑄鐵(tie)>不銹鋼>PE。因此，本研究證實(shi)了DWDS中(zhong)2,4,6-TCA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成潛(qian)(qian)力(li)與屬微生(sheng)物(wu)活性和(he)酶水(shui)平之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)聯系。

4、2,4,6-TCA防治(zhi)的討論

通過對2,4,6-TCA微(wei)生物(wu)形(xing)成的機理研(yan)究，為制定防治策略提供了重(zhong)要的信息(xi)。表(biao)面相對光(guang)滑的PE管生物(wu)膜的生物(wu)量比表(biao)面粗糙的球墨鑄鐵或不銹鋼管要低得(de)多。在實際應(ying)用中，為DWDS設計的管道產(chan)品(pin)的生物(wu)膜生產(chan)潛(qian)力(li)和(he)2,4,6-TCA形(xing)成潛(qian)力(li)有必要被檢測，并(bing)將結果作為評價(jia)和(he)選擇(ze)的重(zhong)要標準。此外，一些具有抗(kang)菌性能的新型管材的研(yan)發是解決T&O問(wen)題的有效途徑。

總結(jie)

本研(yan)究表明，管材、溫(wen)度、流速、殘(can)余氯等多種水分配(pei)因素都能影響2,4,6-TCA的(de)形成(cheng)(cheng)。球(qiu)墨(mo)鑄(zhu)鐵(tie)和(he)不銹(xiu)鋼管道比PE管產生(sheng)更(geng)多的(de)2,4,6-TCA。經(jing)過(guo)Illumina MiSeq高通量測序的(de)群(qun)落分析，發現球(qiu)墨(mo)鑄(zhu)鐵(tie)和(he)不銹(xiu)鋼的(de)微(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)落具(ju)有較高的(de)相似性。DWDS中2,4,6-TCA形成(cheng)(cheng)的(de)主要(yao)機(ji)制是生(sheng)物(wu)膜(mo)中微(wei)生(sheng)物(wu)對前體2,4,6-TCP的(de)O-甲基化。

文章索引(yin)：

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. 

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