镁元素对反渗透饮用水再矿化生物稳定性和微生物群落的影响研究

《Next Research》：Remineralization of reverse osmosis produced drinking water: Impact of magnesium on biological stability and microbial community

本研究针对反渗透(RO)淡化水再矿化过程中镁(Mg2+)添加对微生物再生长的潜在影响展开系统评估。通过静态细菌生长潜能实验和动态模拟管网实验，研究人员发现镁浓度达WHO上限(50 mg/L)不会增加细菌生长潜力，微生物生长主要受可同化有机碳(AOC)限制；镁钙比例对细菌产量和生物膜生长无显著影响；镁添加虽改变生物膜群落结构，但未增加出水微生物丰度。该研究为RO饮用水镁再矿化的生物安全性提供了重要科学依据。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，反渗透(Reverse Osmosis, RO)海水淡化技术已成为许多沿海地区重要的饮用水来源。然而，RO技术在高效去除污染物的同时，也几乎脱除了水中所有矿物质，产生具有腐蚀性且口感较差的软化水。为解决这一问题，再矿化后处理成为RO饮用水生产过程中不可或缺的环节，通过添加钙(Ca²⁺)、镁(Mg²⁺)等矿物质来改善水质。

在沙特阿拉伯等以RO淡化水为主要饮用水源的地区，现行的再矿化实践通常仅限于钙的添加，尽管当前法规要求饮用水中镁的最低含量为5 ppm。更值得关注的是，沙特盐水转化公司(SWCC)近期提出的新标准要求管网水中镁浓度达到15-25 mg/L。然而，镁再矿化对饮用水生物稳定性的影响尚不明确，特别是其对微生物再生、生物膜发育和细菌群落组成的潜在影响，成为制约镁再矿化技术推广的关键科学问题。

为系统评估镁再矿化对RO饮用水生物稳定性的影响，Ratna E. Putri等研究人员在《Next Research》上发表了最新研究成果。研究团队通过精心设计的实验方案，综合运用静态细菌生长潜能(Bacterial Growth Potential, BGP)实验和动态模拟管网实验，全面评估了不同镁浓度、盐类型、镁钙比例以及营养盐添加对微生物生长的影响。

研究采用的关键技术方法包括：细菌生长潜能实验评估不同条件下的微生物生长潜力；流动细胞术(Flow Cytometry, FCM)和ATP分析定量微生物丰度；模拟管网系统进行长达六个月的动态实验；16S rRNA基因测序解析细菌群落组成；电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)精确测定镁钙离子浓度。

3.1. 静态实验中镁添加影响的评估

研究人员通过细菌生长潜能和生物膜形成实验评估镁在RO饮用水后处理中对生物稳定性的作用。结果显示，在营养限制条件下，添加12.5-50 mg/L镁并未显著影响净细菌细胞生长；而当添加乙酸钠、硝酸钠和磷酸钠(C:N:P=100:20:10)时，细菌细胞产量显著增加，但镁浓度从0.5增至50 mg/L并未引起产量显著变化。这表明RO饮用水中的细菌生长不受镁可用性限制，而主要受有机碳和无机营养盐限制。

进一步的实验表明，镁盐类型(MgCl₂ vs MgSO₄)和镁钙比例(在固定总硬度60 mg/L下测试1:2、1:3、2:1、3:1比例)对细菌产量和生物膜生长潜力均无显著影响，表明在这些静态条件下，改变镁盐类型或镁钙比例不会实质性影响细菌生物膜生长潜力。

3.2. 动态实验

3.2.1. 出水细菌丰度动态

与进水相比，出水始终表现出显著的细菌再生现象，总细胞计数(TCC)和完整细胞计数(ICC)在整个研究期间均显著较高。镁添加达50 mg/L对TCC和ICC无显著影响，细菌生物量在六个月内逐渐下降，未观察到显著的镁-时间交互作用。ATP浓度在镁添加网络中初期较高，但随时间推移下降，并在四个月后与对照组趋于一致，表明微生物对镁扰动具有适应能力。

3.2.2. 细菌生物膜生长

对生物膜样品的分析显示，镁添加对TCC、ICC或ATP均无显著影响，表明在测试管网中，镁添加达50 mg/L不会改变管道表面的细菌生物量。与出水中ATP下降形成对比的是，生物膜样品中的ATP浓度随时间逐渐增加，反映了管道表面生物膜的渐进发育。

3.2.3. 生物膜中镁含量

线性混合效应模型分析表明，镁添加和时间均未显著影响生物膜中镁含量，两组间在镁含量上无统计学显著差异。

3.2.4. 镁再矿化后的细菌群落变化

3.2.4.1. Alpha多样性

出水样品的细菌丰富度显著高于进水，但两组出水样品间或无镁添加与镁添加网络的生物膜样品间无显著差异，表明分布过程本身增强了细菌多样性，而镁添加对整体微生物丰富度影响不大。

3.2.4.2. Beta多样性

主坐标分析显示，细菌群落根据样品类型和镁添加情况形成聚类。镁添加显著改变了生物膜群落组成，但对浮游种群影响极小。在生物膜样品中，镁添加网络中入口和出口生物膜群落间存在显著的空间变化，而时间差异相对较小。

3.2.4.3. 细菌群落组成

研究发现镁添加显著改变了生物膜细菌群落组成。在对照组生物膜中，弯曲杆菌属(Curvibacter)占主导地位，而镁添加生物膜中则富含非洲菌属(Afipia)和鱼杆菌属(Piscinibacter)。这些变化表明镁添加有利于具有特定代谢适应性的类群。值得注意的是，在镁添加生物膜中未检测到军团菌属(Legionella)，而在对照组中检测到该菌属，表明镁添加可能通过富集竞争性非致病类群来抑制病原体。

研究结论部分强调，通过整合生物膜和出水分析，本研究将生物稳定性的传统定义从浮游微生物生长扩展到包括生物膜动态和群落水平响应。研究发现镁再矿化不会损害RO饮用水的生物稳定性，微生物生长主要受营养盐限制而非镁可用性驱动。镁添加引起的生物膜群落变化有利于具有生态适应性的特殊类群，而不增加机会致病菌风险。

讨论部分深入分析了营养限制主导微生物生长、镁盐类型和钙镁比例的微生物中性特性、镁添加引起的细菌群落组成变化以及生物膜多样性空间异质性对病原体控制的意义。研究指出，镁再矿化在RO饮用水处理中具有重要应用价值，特别是在满足水质标准和增强饮用水分布系统安全性方面。通过使用白云石等成本效益高的镁源，可以在不显著增加基础设施成本的情况下实现镁添加目标。

该研究的创新性在于首次系统评估了镁再矿化对RO饮用水微生物生态系统的综合影响，为相关水质标准的制定提供了科学依据。未来研究可进一步探索镁添加与生物膜形成相互作用的机制，以及在不同水力条件和消毒策略下的微生物响应，为优化饮用水处理工艺提供更多理论支持。