有研究人員分析了紫外線消毒過程中大腸桿菌的滅活、光復活和暗修復現(xiàn)象,并借助流式細胞儀技術、熒光發(fā)光檢測儀和 PCR 技術,進一步分析了紫外線消毒對細胞膜、三磷酸腺苷以及 DNA、RNA 的損傷,結(jié)合 recA 的 SOS 損傷修復機制,闡述大腸桿菌對紫外線壓力的響應機制。

一．紫外線對細胞膜的損傷

線消毒前后大腸桿菌進行流式細胞儀分析,結(jié)果如圖 3 所示.P2 區(qū)代表細菌的細胞膜未受損傷(PI 染色陰性),P3+P4 表示細菌的細胞膜受到損傷(PI染色陽性).未經(jīng)處理的水樣中完整細胞膜細胞的數(shù)目占總數(shù)目的 86.3%,經(jīng)95 ℃熱處理 15min 后,采用流式細胞儀分析,有95.6%的細胞膜受到損傷,因此流式細胞儀能用來判斷細胞膜的損傷.然而紫外線消毒過程未導致更嚴重細胞膜的損傷,細胞膜未受損傷的細胞百分比保持在 84.3%~89%范圍,即使紫外劑量增加至 300mJ/cm 2 仍有 84.3%的細胞膜保對大腸桿菌的細胞膜的損傷微乎其微.Cho 和李等采用 TEM 透射顯微鏡和 OPNG 降解分析紫外線消毒對大腸桿菌的損傷,結(jié)果表明消毒后大腸桿菌的細胞膜仍保持一定的完整性,細胞通透性略微增加,胞內(nèi)物質(zhì)出現(xiàn)一定的固縮現(xiàn)象。

二．紫外線消毒對 ATP 的損傷

磷酸腺苷(ATP)是微生物代謝活動的主要能源,因此 ATP的濃度能近似的反應微生物的活性和新陳代謝能力。該研究進一步探索了紫外線消毒過程對大腸桿菌總ATP含量的影響,結(jié)果如圖4所示.在低紫外劑量下(<100mJ/cm 2 ),紫外線對大腸桿菌ATP含量無明顯影響,有輕微的增加趨勢.隨紫外線劑量進一步增加(>100mJ/cm 2 ) ATP 含量呈下降趨勢,大腸桿菌丟失其代謝能力。

三．紫外線消毒對大腸桿菌 DNA 的損傷

過去研究表明紫外線消毒主要引起微生物核酸的損傷,本研究采用分子生物學的 PCR 檢測方法分析了紫外線消毒過程對大腸桿菌16s rRNA基因的損傷.從圖 5a 可見,紫外線消毒對大腸桿菌的 434bp長度的核酸損傷不明顯,300mJ / cm 2 的紫外劑量仍有較明顯的 DNA 條帶.增加 PCR 檢測過程中 16srRNA片段長度到1450bp時,盡管整個檢測過程均能檢測到明顯的 DNA 條帶,值得注意的是隨紫外劑量的增加條帶亮度明顯減少(圖 5b),因此紫外線消毒導致了微生物 16s rRNA 的損傷,片段長度越長損傷越明顯,低片段長度由于捕獲的 DNA 發(fā)生的損傷機率較低,檢測結(jié)果不明顯.Trombert 等研究表明 REP-PCR 能在分子水平上分析紫外線消毒對微生物的滅活以及暗修復機制.我們研究表外劑量達到>80mJ/cm 2 時,微生物被滅活,DNA仍有明顯的條帶,因此采用 PCR 檢測 DNA 的損傷無法判斷微生物的失活狀態(tài)。

四．紫外線消毒對RNA的損傷

有研究表明半衰期較短,與DNA相比RNA更能反應細胞的活性.我們研究進一步對紫外線消毒前后RNA 進行 PCR 擴增分析,并選用 SOS 基因修復相關的recA引物,從分子水平分析紫外線消毒過程可能存在的修復過程.如圖 6 所示,相對 DNA而言,紫外線消毒對 RNA 的損傷更嚴重,隨紫外劑量增加,條帶亮度明顯減弱,當紫外劑量達到污水處理廠常用的 40mJ/cm 2 時,仍存在較弱的RNA 條帶.聯(lián)系微生物的復蘇過程,隨紫外線劑量增加,暗修復能力明顯減弱,與該結(jié)果一致.盡管40mJ/cm 2 時光復活和暗修復百分比較低.然而PCR 結(jié)果顯示 40mJ/cm 2 仍有一定的損傷修復的能力,因此水處理過程中應考慮加大紫外劑量(>40mJ/cm 2 ),或采用紫外-氯聯(lián)用的方式來抑制復蘇現(xiàn)象.紫外-氯聯(lián)用方式能提供持續(xù)性消毒當紫外線劑量達到 50mJ/cm 2 時,RNA 擴增條帶消失,失去了 SOS 損傷修復能力,因此高劑量的 80mJ/cm 2 時,大腸桿菌的復蘇幾乎為零。

五．結(jié)論

80mJ/cm 2 紫外線劑量下,大腸桿菌的去除率 6.25-log,幾乎被滅活. 經(jīng) 20mJ/cm 2 紫外線輻射后 24h,大腸桿菌的復活百分比和暗修復百分比分別達到 0.018%和 0.00042%,光復活能力明顯大于暗修復能力.經(jīng)80mJ/cm 2 紫外線輻射后 24h,大腸桿菌的光復活和暗修復百分比明顯降低,僅為 0.0059%和0.000009%。

紫外線消毒過程 DNA 的降解過程取決于片段長度,1450bp 的 16s rRNA 的基因損傷較

434bp 的 16s rRNA 的基因損傷更明顯,水處理常規(guī)的紫外線消毒劑量(<100mJ/cm 2 ),對總 ATP 含量和細胞膜的損傷作用很小。

紫外線消毒對大腸桿菌的RNA損傷比較嚴重，紫外線劑量達到 50mJ/cm 2 時,失去了 SOS 損

傷修復的能力,因此80mJ / cm 2 大腸桿菌的復蘇能力較弱,recA 相關的 RNA 的消失可用于指示微生物發(fā)生了不可逆的損傷。摘自《中國環(huán)境科學》第7期。