水是人类赖以生存的物质,在自然环境水体中含有多种 多样的微生物,其中不乏对人类健康有巨大威胁的致病 菌^〔1〕。一般情况下,水环境中的致病菌含量都非常少,远远 低于现有检测方法的检测灵敏度,因此,如何从水体中将少量 的致病菌富集、回收以供实验室和/或现场检测,是关系饮水 安全的重大问题之一。目前,国内外对水源水中的致病菌浓 集回收方法存在着回收率低、处理水样小等缺点^〔2〕。本研究 在实验室进行污水中病毒浓集回收^{〔3, 4, 5〕}研究基础上,根据水 中细菌带阴电荷的特点仿照自然界中带有正电荷的粘土类矿 物- 水滑石的结构,合成用于吸附、回收水中细菌的层状二元 混合金属氢氧化物—氢氧化镁铝^〔6〕。并将这种载正荷材料 制成颗粒状滤料装入过滤柱,建立了水中细菌过滤浓集、回收 系统和方法。利用大肠埃希菌8099作为肠道菌的代表菌投加 到自来水中,进行了细菌浓集、回收研究实验。现报告如下。

结晶氯化镁、结晶氯化铝、氢氧化钠为分析纯试 剂;普通营养琼脂、2%氯化三苯四氮唑( TTC)溶液、生理盐水 等由本实验室配置;所用试剂均为分析纯。菌种为本实验室 保存的大肠埃希菌8099。洗脱液的配置方法: 31723 g分析 纯Na₂HPO₄ 和9.238 g分析纯的NaH₂ PO₄ 完全溶解到1 L去 离子水中,加入5 mL分析纯的tween-80,搅拌均匀后高压灭 菌备用。

将Mg^{2 +} 、Al^{3 +}摩尔比例为3∶1 的氯化镁和氯化镁混合溶于400 mL去离子水中,固定Mg^{2 +} 和Al^{3 +}的总离子浓度为015 mol /L,将1 mol/L的氢氧化钠溶 液缓慢加入快速搅拌下的混合液中,直至无新沉淀生成为止,将反应母液定容为500 mL,继续搅拌4 h。室温下静置沉淀,每天将上层清液弃去,补足去离子水至500 mL后搅拌015 h 继续静置老化。1周后,3 000 r/min离心10 min,收集沉淀。 将沉淀在55 ℃烤箱中烘烤2 d后置于1 500W电炉上连续烘 烤8 h左右至完全干燥,用研钵研成小颗粒备用。

用KYKY2EM3200型扫描电 镜对滤料的颗粒大小及表面状态进行分析,并对滤料的成分 进行能谱分析。

直径6 cm一定长度的有机玻璃管一端封闭插 入直径0.5 cm、长约2 cm的硬质塑料管作为出水管。距离出 水端1 cm左右固定一与有机玻璃管内径相同的200目左右 的不锈钢网承载滤料并可过滤出水。有机玻璃管另一端加工 出一段螺纹,并配直径相当的塑料螺帽。该螺帽中间开一小 孔并配合安装直径0.5 cm ×2 cm的硬质塑料进水管。将一 定量的氢氧化镁铝滤料装入有机玻璃管制成滤器。

将容积为3 L左右的高位水槽、容积 2 L的灭菌容器、制作的滤器及流量控制装置用内径0.5 cm 的塑料导管连接起来,组成过滤系统。

一定量的本实验室自来水加入适 量的大肠埃希菌8099后混匀,置于高位水槽中,调节流量控 制使加菌自来水以30 mL /min的流速匀速流过滤器,用灭菌 容器收集过滤后的自来水。并对加菌自来水进行平板菌落计 数,对过滤后自来水均匀采样进行平板菌落计数,计算细菌滤 除率来表征滤除效果。

多次洗脱液冲洗滤料,每次洗脱液用量为10 mL,回收冲 洗液定容进行菌落计数,计算细菌回收率。

(1)滤料的粒径和表面状态:滤料的扫描 电镜照片表明滤料粒径在250μm左右,颗粒大小比较均匀。 滤料的局部呈现层状结构。(2)滤料的成分:滤料的能谱分 析(图 1)显示,滤料的主要成分为O、Mg、Al、Cl (H元素在能 谱图上不能显示,Au元素来自样品的喷金处理) 。由元素的 原子数进行计数得到Mg∶Al = 2141∶1。

图 1

图 1 滤料成分能谱分析

图 2

图 2 同一滤器使用不同次数的滤除细菌效果

检测同一次过滤15 L 加菌自来水,在过滤过程中分别取不同时间段的过滤后水样 进行菌落计数并计算细菌滤除率,可以发现在过滤器初始使 用的3次过滤中(每次洗脱细菌后或使用前高压灭菌) ,随着 过滤水量的增大细菌滤除率有略微下降(图 2第1,2,3次) 。 但是细菌滤除率都> 90% ,且第1,2次的细菌滤除率> 95%。 随着滤器使用次数的增加,细菌的滤除率呈下降态势,当达到 4次时,细菌的滤除率降至80% ,失去了浓集细菌的价值。

从回收大肠埃希菌8099的结 果看,随着洗脱次数的提高细菌回收率相应提高,洗脱4和5 次的回收率差别较小,此时的回收率可以达到90%左右(滤 器第1,2次使用) 。滤器使用第4次时,细菌的回收率只有 50%左右,已经没有实际的使用价值。最佳的浓集回收条件 是滤器使用第1,2次时,用洗脱液冲洗滤料4～5次。

制备的氢氧化镁铝滤料比较均匀,但是形状不规则考虑采 用球磨或是其他的研磨技术使滤料的形状更规则。细菌吸附 过程中,随着过滤水量的增加,细菌滤除率略微下降的原因可 能随着滤料吸附细菌量的增大,在过滤过程中被流过滤器的水 流冲刷下来的机率变大;同时滤料吸附细菌的能力也随着吸附 菌量的增大相应降低,在进行匀速过滤的过程中将造成细菌的 滤除率随过滤水量增大而降低。可以通过增加滤料的装填量,加长滤柱来增加吸附容量和细菌被吸附的机率,同时采用变速 过滤(在过滤开始阶段过滤速度较快随着过滤水量的增加逐渐 降低过滤速度)的方式来解决细菌滤除率降低的问题。 制作的滤器使用次数应控制在3次以内。反复的吸附、 洗脱过程对滤料的吸附能力有一定的影响,原因可能为: (1) 多次的吸附、洗脱会使Mg^{2 +}从晶格中解离出来造成晶体结构 失衡导致所带的净正电荷减少进而降低吸附细菌能力; ( 2) 洗脱液会封闭一些吸附位点。