综合孟加拉地下水中由铁电凝造成的大肠杆菌衰减

1、综合孟加拉地下水中由铁电凝造成的大肠杆菌衰减：对于pH值与天然有机物的影响Caroline Delaire,*, Case M. van Genuchten, Kara L. Nelson, Susan E. Amrose, and Ashok J. Gadgil, 美国加州大学伯克利分校土木与环境工程学院，美国加州伯克利能源技术领域劳伦斯伯克利国家实验室摘要： 现在需要一种能同时解决孟加拉地下水砷和微生物污染的技术。铁电凝法（FE-EC），一个简单依靠的阳极Fe（0）的溶解，产生Fe（III）沉淀的过程，已经表现出有效的低成本地除去地下水中的砷。我们调查了在综合孟加拉地下水使用Fe-EC技术

2、对大肠杆菌（E.coil）所造成的衰减情况，包括Fe剂量率的函数，总Fe剂量，pH值，和天然有机物（NOM）的存在等因素。 2.5mM铁剂量使超过4-log的大肠杆菌衰减同时使砷含量从450降至低于10g/L。大肠杆菌的减少量在pH6.6相比pH7.5时显著增强，这使我们认为Fe（II）氧化的减少速率与较低的pH值有关。 3 mg/L-C的NOM（萨瓦尼河黄腐酸）没有显著影响大肠杆菌的衰减。活体染色和使用化学凝结控制的Fe-EC的比较表明，大肠杆菌衰减的主要机制是Fe（III）沉淀物理去除，同样的在较低的pH值时使用灭活效果可能更好。透射电镜显示，EC沉淀附着和桥接在单个的大肠杆菌上，造成可通

3、过重力沉降除去大的细菌-铁集合体。我们的研究结果指出Fe-EC技术以低成本同时去除砷和细菌污染的有前途的能力。1.引言 在孟加拉国和印度，数以千万计的人以砷污染的地下水作为主要的饮用水来源。以前的研究旨在改善孟加拉盆地砷污染地下水的质量，专注于单独地去除砷污染，而忽视了浅水层可能并发的细菌污染。然而，最近的研究中，在孟加拉的浅层机井水中发现了粪便指示菌和病原体的存在（轮状病毒，志贺氏菌，霍乱弧菌，致病性大肠杆菌，病毒和腺病毒）.一项对于孟加拉国农村的125口机井的研究发现，30的机井砷含量超过50 g/L ，大肠杆菌处于检出水平，表明了显著的并发砷和粪便污染。虽然地下水的粪便污染通常比地表水低

4、（在管井粪便大肠菌浓度是101102 CFU/100 mL相比102- 104 CFU / 100mL的池塘和挖井和高达200,000 CFU / 100mL的在恒河），但它被怀疑导致了地区性持续腹泻病。低成本解决地下水的砷和微生物污染，对于在孟加拉获得安全饮用水有着重要的意义。在孟加拉国和 拉盆地砷污染地下水的质量，专注于单独地去除砷污染，而忽视了浅水层可能并发的细菌污染。然而，最近的研究中，在孟加拉的浅层机井水中发现了粪便指示菌和病原体的存在（轮状病毒，志贺氏菌，霍乱弧菌，致病性大肠杆菌，病毒和腺病毒）.一项对于孟加拉国农村的125口机井的研究发现，30的机井砷含量超过50 g/L ，大肠

5、杆菌处于检出水平，表明了显著的并发砷和粪便污染。虽然地下水的粪便污染通常比地表水低（在管井粪便大肠菌浓度是10 g/L）的pH值在6.4和8.4之间变化。另外，pH值可以在Fe-EC场处理造成的CO 2释放期间增加。因此，了解pH对微生物衰减的影响在预测场处理效率中是至关重要的。此外，由于pH值控制去除和失活的潜在过程，改变该溶液的pH值可以帮助解开在Fe-EC系统中微生物衰减的机制。相当浓度天然有机物（NOM）存在于被砷污染的孟加拉地下水中 (15 mg/L-C) ，并且在Fe-EC过程中以多种方式影响微生物衰减：淬灭强氧化剂，络合溶解的Fe(II)/Fe(III)，改变Fe（）沉淀和微生物

6、的表面特性。NOM已知通过增加静电排斥以抑制微生物矿物相互作用，并已显示出削弱铁基微生物衰减的效果。所以确定NOM在Fe-EC过程中对于大肠杆菌衰减的影响是重要的。这项研究的目标是：（1）检查通过Fe-EC去除综合孟加拉地下水中砷和细菌的效果;（2）调查pH和NOM在此过程中的影响; （3）确定细菌衰减的机制，通过专注于在灭活中有区别的去除。使用大肠杆菌K12为革兰氏阴性粪便细菌的模型，我们第一个演示并发砷污染和细菌衰减。接下来，我们研究在Fe-EC中pH值对于大肠杆菌衰减的依赖性，通过（1）比较通过铁化学混凝控制的Fe-EC; （2）分析EC沉淀物和大肠杆菌的电位测量值;（3）调整不同的Fe

7、-EC的操作参数，如铁剂量率和设定时间。我们结合这些结果与活体染色和透射电子显微镜图像，勾勒出大肠杆菌衰减的机制。最后，我们讨论的NOM在Fe-EC中对大肠杆菌衰减的影响。2.方法2.1 合成孟加拉地下水准备 该合成的地下水（SGW）的程序与Roberts等人（详见支持信息）相似。根据英国地质调查局（ BGS）， HCO3, Ca 2+, Mg2+（分别为8.2，2.6，和1.9mM）的浓度反映了孟加拉机井中砷污染（定义为 As 10 g/L）的平均水平。在SGW中Si、P、和As（III）的浓度（分别为1.3，0.16和6.1 M(460 g/L)）显著高于平均水平，来代表在砷去除中最坏的情

8、况（表S1）。目标pH值（6.6或7.5）需要在整个实验过程中滴入1.1 M盐酸来保持。As, Ca, Mg, P 和 Si的 浓度通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES，珀金埃尔默5300 DV，测量误差通常5）进行测定。在重复分批实验中所有离子的初始浓度变化小于10。 ICP-OES和氢化物被用来测量低的初始砷浓度（20微克/升）。对于NOM实验，3mg/L-C的萨瓦尼河黄腐酸（国际腐殖酸物质协会）加入到SGW中。 NOM的浓度通过TOC-V的分析仪（岛津制作所）来测量。2.2大肠杆菌制备及计数 我们使用从已故的Sydney Kustu 博士（加州大学伯克利分校）那里获得的革兰

9、氏阴性菌大肠杆菌K12（NCM4236）的非致病性菌株和卡那霉素抗性菌株。在卡那霉素修订的胰蛋白酶大豆培养基经过3次繁殖，固定相大肠杆菌冲洗并悬浮在磷酸盐缓冲液中（详见支持信息）。大肠杆菌在SGW飙升达到106.1106.7 CFU/mL的初始浓度。大肠杆菌浓度在双份100L的等量样本中分别计数，菌落形成单位（CFU）使用了0.025 g/L卡那霉素的琼脂扩散板技术。在SGW中，我们没有发现细菌摄取砷或有毒性的迹象（详见支持信息和图S2）。2.3 EC实验 所有玻璃器皿在10HNO3中洗涤，再用18M的去离子水漂洗，并在使用前高压灭菌。EC实验浸渍进行两个1 cm 8 cm Fe(0)的电极（

10、98的Fe， 0.5 mm厚，相隔0.5cm，3 cm2的阳极浸没面积）在掺有大肠杆菌的200mL SGW中。每次实验前电极用砂纸进行打磨，以除掉任何锈蚀或固体沉淀物。在测试电流密度范围 (0.3310 mA/cm2)内，铁剂量率，D (M Fe/s)，是与所施加的电流I（A或库仑/s）有关系的，根据法拉第定律： D=1/（v*Z*F） 其中，V是反应器容积（L），Z是涉及的电子数（当量/mol），F是法拉第常数（96485库仑/mol）。基于Lakshmanan等人，除了具体的说明以外我们假设Z =2，我们使用46.4 M/min（10 mA/cm2的电流密度）铁剂量速率，剂量时间调整为达到

11、所需的最终Fe浓度（调整范围为0.1至2.5mM）。电压为5伏，从而使电场10 V/cm，这要比杀菌电场低几个数量级。在之前的工作基础上挑选了操作条件，以避免阳极产生氯氧和混合价铁氧化物（详见支持信息）。Fe-EC导致水合氧化铁（橙色）沉淀的形成。电解后，将溶液在开放空气中搅拌90至120分钟，以生成铁（II）的氧化和Fe（III）沉淀。这些步骤称作“dosingmixing”之后。然后将悬浮液放置沉降过夜。未过滤的和过滤的样品（0.45m 尼龙过滤）在给药前取出，给药混合后，过夜沉淀后使用ICP-OES测量 Fe, As, Ca, Mg, P和Si。在ICP-OES分析之前所有样品加入1.1

12、 M盐酸溶解。未过滤的样品用于测量总Fe (Fe(II) + Fe(III)。因为铁（III）在中性pH值下不溶，所以过滤样品中的铁被认为是铁（II）。在所有的实验中，在大量溶液中未过滤的Fe在给药后是法拉第常数的957（包括69个实验）。在pH7.5的滤液中给药混合后的铁（可溶的Fe（）实验剂量总费的0.1，在pH值6.6时小于用于实验总Fe的196（在18个实验）。虽然在我们在SGW的Fe（II）的完全（99.9）氧化在pH值6.6时需要超过9小时（见图S1），但我们选择控制混合时间不超过120分钟，来保持场条件的代表性。对于大肠杆菌计数样品给药前和沉降后取出（从上清液，低于表面3厘米）。

13、等到上清液中铁浓度5总Fe给药量时再取样，通常需要过夜沉降。大肠杆菌的衰减通过在给药前和沉降后的样品之间的CFU浓度差异计算出。隔夜沉降使得单个的大肠杆菌与Fe（）沉淀的细胞联系中分离，因为单个细胞没有在该时间段沉降（密度为1.16 g/cm的1m 颗粒的斯托克斯沉降速度约为1 cm/天）。这个假设在初步实验中被证实，这表明：（1）悬浮在SGW中的大肠杆菌细胞浓度2天后没有变化（4.5的变化）。（2）在EC实验中，不同深度上清液中的大肠杆菌CFU变化小于0.2log。2.4.FE-EC实验使用明矾 在沉降阶段，为了隔离去除和失活对于大肠杆菌衰减的影响，几个实验使用了Al2(SO4)3 混凝剂（

14、明矾），这减少了EC沉淀所需要的沉降时间，并允许我们从上清液的自由细胞中快速分离与絮凝物相关联的细胞。明矾被选择代替铁基混凝剂，因为带正电荷的Al聚合物能帮助聚合带负电荷的EC沉淀（图1b），而不改变系统中Fe的量。给药混合后，0.1ml370mM的矾溶液加入到悬浮液中，产生0.19mM的Al浓度。快速混合（700rpm下，2分钟）和慢混合（每分钟60转，20分钟）后，约2小时后大絮凝物形成沉淀，而不是在常规的EC实验中的18小时，我们采样2、5和24小时后的上清液做细菌培养性测试。2.5.通过混凝FeSO4、 FeCl3和预合成水铁矿导致的大肠杆菌衰减 为了约束大肠杆菌衰减在Fe-EC的机制

15、和阐明pH值的影响，设计铁类盐的化学混凝实验作为对照。用硫酸亚铁（100 mM，用1 mM HC酸化以避免过早的Fe（II）氧化），三氯化铁（100mM），和预先合成的铁矿储备液（200mM，详见支持信息）制备储备液。这些足够量的储备液加入到200毫升SGW中，调节至pH为6.6或7.5以达到0.5mM的铁浓度。溶液暴露在空气中搅拌100-130分钟，然后使其过夜沉降。采样遵循在EC实验相同的程序。2.6.在变化的Fe（III）沉淀生成速率下的大肠杆菌衰减 在Fe-EC中，Fe（III）沉淀生成速率由两个过程控制：（1）在阳极铁（II）的产生。（2）Fe（II）氧化成Fe（III），该瞬时（相

16、对于Fe（II）氧化）沉淀于中性pH值。铁（III）沉淀的生成速率的详细推导在支持信息中给出。在pH7.5时，铁（II）氧化很快（在SGW中t1/2 = 4.5 分钟，见图S1B），沉淀的生成速率主要是由铁剂量率控制。为了调查Fe（III）沉淀的生成率对于大肠杆菌衰减的影响，在pH为7.5时设计Fe-EC实验，三钟不同的Fe剂量率（1.1，2.6和46.4mM/分钟，对应于电流密度为0.33，0.67，和10mA/ cm2，分别地）和三个不同的总剂量（0.1,0.2和0.5mM;见图S3）。 实验在pH7.5下用三氯化铁进行。每分钟加入6 L的100 mM FeCl3 到反应烧杯，以模仿3.1

17、M/分钟的剂量率：100分钟的反应时间（加药混合）在所有实验中保持不变。所有大肠杆菌衰减实验在一式三份或更多进行。我们报告的平均衰减log值一个标准差。2.7.细菌存活测试 通过直接镀覆来量化大肠杆菌的灭活，将需要在上清液以及沉淀絮凝物中计数存活细胞。然而，在这里从Fe（III）沉淀中分离大肠杆菌是不可能的（详见支持信息）。为此，我们使用了BacLight LIVE-DEAD试剂盒（Invitrogen）来评估膜通透性程度，作为大肠杆菌灭活情况的替代。该测试依赖于两个荧光核酸染料（PI和SYTO9），具有完整的膜的细胞出现绿色（“活”），那些受损的膜的细胞显示为红色（“死的”）。制备样品详见支持信息，使用蔡司Axioimager荧光显微镜进行分析（63精密型物镜，EndoGFP和mCherry过滤器，加州大学伯克利分校生物CNR成像设备）。铁（）沉淀和染色的大肠杆菌细胞的图片在传输和荧光模式中分别拍摄，并将图像叠加。每个样品至少拍摄并视觉分析10组照片，以产生代表性的结果。我们应用这个方法来评估在两个阶段的大肠杆菌灭活情况：加药混合和隔夜沉淀。对于前者，在EC实验中在给药混合结束时的混合悬浮液中收集样品（在pH6.6和7.5）。对于后者，沉降后在上清液中取样，因为大肠杆菌浓度过低后不能进行定量荧光显微镜分析。因此，我们模仿pH6.6的上清液条