综合孟加拉地下水中由铁电凝造成的大肠杆菌衰减

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CarolineDelaire,*,†CaseM.vanGenuchten,†,§KaraL.Nelson,†SusanE.Amrose,†andAshokJ.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10μg/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。3mg/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50μg/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（在管井粪便大肠菌浓度是101−102CFU/100mL相比102-104CFU/100mL的池塘和挖井和高达200,000CFU/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50μg/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（在管井粪便大肠菌浓度是101−102CFU/100mL相比102-104CFU/100mL的池塘和挖井和高达200,000CFU/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。铁电凝（FE-EC）这样一个简单的过程，在南亚已被用于有效地去除地下水中的砷。Fe-EC依靠于牺牲阳极Fe（0）的迅速溶解产生的Fe（Ⅱ），然后溶解氧的存在下氧化形成具有高的比表面积和砷的高亲和性的Fe（III），吸附砷并析出。含砷析出，可随后重力沉降被去除。在Fe-EC过程中，芬顿型反应[无机化学反应，过程是，过氧化氢(H2O2)与二价铁离子Fe的混合溶液将很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类氧化为无机态。反应具有去除难降解有机污染物的高能力，在印染废水、含油废水、含酚废水、焦化废水、含硝基苯废水、二苯胺废水等废水处理中体现了很广泛的应用。]产生的强氧化剂将As（Ⅲ）氧化为As（V），在中性pH值条件下，这是比较容易除去的。以前的工作表明，Fe-EC高效低成本除去砷，已成为孟加拉地下水可持续修复的一个现实选择。然而，Fe-EC对于砷污染的地下水中微生物衰减效果以及其对砷的修复效果尚未检验。对于评估的Fe-EC的潜力以解决在孟加拉安全用水的需要来说，这样的调查是必要的。Fe-EC系统中存在两个进程可能有助于清除微生物。第一个过程是生产具有微生物表面亲合性的铁（III）的沉淀，通过沉降使它们在絮凝物中封装和物理去除。在许多自然环境中，铁氧化物与细菌细胞和胞外高分子密切相关，这表明了强大的吸附亲和力，并促进运用铁氧化物去除工程系统中的细菌和病毒。第二个过程为Fe（II）的瞬时存在，可导致氧化应激[氧化应激（OxidativeStress，OS）是指体内氧化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化，导致中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增加，产生大量氧化中间产物。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。]和失活。在芬顿型反应的Fe（II）氧化产生强氧化剂铁（Fe（IV），OH·），可以灭活细菌和病毒。这个过程导致以絮凝物物理去除和失活主要取决于电解质溶液的组成，这会影响电凝沉淀物的价位，大小和表面电荷;Fe（II）氧化的速率;强氧化剂的寿命（HCO3−,Cl−,As(III)和可以猝灭Fe(IV)和OH·的天然有机物）。虽然一些Fe-EC研究集中在微生物衰减，这些研究正在进行复制地表水的电解质结构，并不能外推到研究砷污染的地下水，其中含氧阴离子的显著浓度可能会改变电凝沉积物的的结构和表面电荷，进而影响该机制和微生物衰减的程度。此外，在EC系统中微生物衰减的主要研究对象是病毒。细菌衰减的机制，具体来说去除和失活的各自作用，仍是未知。除了电解质的组合，溶液的pH值可能是影响Fe-EC性能的关键因素，因为它控制（1）Fe（II）氧化的速率，并由此控制具有潜在杀菌性Fe（Ⅱ）的停留时间，以及Fe（III）沉淀生成的速率;（2）Fe（III）沉淀的表面电荷和它们与微生物的静电相互作用。在孟加拉，砷污染的地下水（定义为[As]10μg/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CO2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(1−5mg/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（Ⅲ）沉淀和微生物的表面特性。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ζ电位测量值;（3）调整不同的Fe-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−,Ca2+,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]10μg/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6.1μM(460μg/L)）显著高于平均水平，来代表在砷去除中最坏的情况（表S1）。目标pH值（6.6或7.5）需要在整个实验过程中滴入1.1M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5300DV，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SydneyKustu博士（加州大学伯克利分校）那里获得的革兰氏阴性菌大肠杆菌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106.1−106.7CFU/mL的初始浓度。大肠杆菌浓度在双份100μL的等量样本中分别计数，菌落形成单位（CFU）使用了0.025g/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）。2.3EC实验所有玻璃器皿在10％HNO3中洗涤，再用18MΩ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1cm×8cmFe(0)的电极（98％的Fe，0.5mm厚，相隔0.5cm，3cm2的阳极浸没面积）在掺有大肠杆菌的200mLSGW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(0.33−10mA/cm2)内，铁剂量率，D(MFe/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46.4μM/min（10mA/cm2的电流密度）铁剂量速率，剂量时间调整为达到所需的最终Fe浓度（调整范围为0.1至2.5mM）。电压为5伏，从而使电场10V/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“dosing−mixing”之后。然后将悬浮液放置沉降过夜。未过滤的和过滤的样品（0.45μm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1.1M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95％±7％（包括69个实验）。在pH7.5的滤液中给药混合后的铁（可溶的Fe（Ⅱ））实验剂量总费的0.1％，在pH值6.6时小于用于实验总Fe的19％±6％（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）。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（Ⅲ）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1.16g/cm的1μm颗粒的斯托