氯化甲基对羟基苯甲酸酯衍生物对饮用水生物膜结构及抗生素敏感性的影响

《Journal of Water Process Engineering》：Impact of chlorinated methylparaben derivatives on drinking water biofilm structure and antibiotic susceptibility

本研究探讨氯代甲基苯甲酸（PTP）对饮用水管网中双菌种生物膜形成及细菌特性的影响，发现PTP显著增加非培养可活细胞（VBNC）数量，改变EPS组成，降低氯消毒效果，并增强部分细菌对抗生素的敏感性。

　　氯化消毒是一种广泛应用于饮用水输送系统（DWDSs）的策略，但其过程可能导致有害的消毒副产物（DBPs）的形成。这类副产物，如对羟基苯甲酸酯（parabens）的氯化产物（PTP），在近年来逐渐受到关注，因为它们可能对人类健康和生态系统造成潜在影响。本研究聚焦于这些氯化副产物对DWDS中双菌种生物膜的影响，特别是对甲基对羟基苯甲酸（MP）及其氯化产物（3-Cl-MP和3,5-diCl-MP）的反应情况，以及它们对生物膜结构、微生物耐受性以及抗生素敏感性的影响。

### 氯化副产物的形成与特性

对羟基苯甲酸酯是一类新兴的污染物，广泛存在于个人护理产品（PCPs）中。由于其结构中含有芳香环上的羟基，MP在氯化过程中极易与自由氯发生反应，生成多种氯化产物。研究中通过固相萃取（SPE）结合傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析，确认了MP在5 mg/L自由氯作用下30分钟后的反应产物。结果显示，MP在不同水基质（如超纯水UPW和合成自来水STW）中，与自由氯反应生成了单氯化、双氯化、三氯化和四氯化MP。值得注意的是，STW中MP的氯化产物信号强度显著高于UPW，这表明水体成分对氯化反应的进行有重要影响。

这些氯化产物的形成机制主要基于电荷芳香族氯化反应，即自由氯或次氯酸等氯物种与MP的芳香环发生反应。在实际的饮用水消毒过程中，这类反应是常见的，也与已知的DBPs形成机制相吻合。研究还发现，MP在100 μg/L浓度下与5 mg/L自由氯反应30分钟，能够有效生成3,5-diCl-MP，其浓度可达到10 μg/L，这一发现进一步验证了氯化副产物在饮用水系统中的潜在存在。

### 生物膜的形成与暴露实验设计

研究中采用的双菌种生物膜由**Acinetobacter calcoaceticus**和**Stenotrophomonas maltophilia**构成，这两种革兰氏阴性细菌在饮用水系统中普遍存在，并且具有抗生素耐受性，可能对人类健康构成威胁。实验中通过将细菌悬浮液接种在聚丙烯（PPL）样品上，并在含有MP及其氯化产物的STW中培养7天，以模拟饮用水系统中生物膜的成熟状态。在实验过程中，PPL样品被清洗和灭菌以确保实验的准确性。

实验设计包括两阶段：第一阶段为生物膜的形成，第二阶段为氯化处理。在形成生物膜后，样品被暴露于MP及其氯化产物，并随后进行氯化处理，以评估其对生物膜特性的变化。通过这种设计，研究者能够分析不同氯化产物对生物膜的结构、细胞密度、膜完整性以及生物膜对消毒的反应。

### 氯化产物对生物膜特性的影响

实验结果显示，3-Cl-MP和3,5-diCl-MP对生物膜的特性产生了显著影响。在暴露于这些氯化产物后，生物膜的厚度和细胞密度均有所增加，其中3-Cl-MP暴露使生物膜厚度增加了约10 μm。此外，生物膜中的胞外聚合物（EPS）含量也有所上升，尤其是多糖的含量在两种氯化产物暴露后均呈现显著增加趋势，而蛋白质含量则未见明显变化。这些变化可能与生物膜在应对氯化产物时的适应性反应有关，例如通过增加多糖的合成以增强生物膜的结构稳定性。

然而，氯化处理对这些生物膜的影响则有所不同。在氯化处理后，3-Cl-MP和3,5-diCl-MP暴露的生物膜显示出更高的细胞减少率，表明它们对氯化处理更为敏感。相比之下，MP暴露的生物膜在氯化处理后表现出更强的耐受性，这可能与MP在生物膜形成过程中的促进作用有关。这种差异提示我们，不同类型的氯化产物对生物膜的破坏能力可能不同，从而影响饮用水的消毒效果。

### 生物膜的细胞状态与耐受性变化

研究还评估了氯化产物对生物膜中细胞状态的影响。结果显示，3-Cl-MP和3,5-diCl-MP暴露导致了**A. calcoaceticus**细胞数量的显著增加，其中3-Cl-MP使VBNC（可培养但不可培养）细胞数量增加了3倍，而3,5-diCl-MP则增加了5倍。这些变化表明，氯化产物可能促使细菌进入一种更适应环境压力的休眠状态，从而提高其在氯化处理中的存活率。值得注意的是，**S. maltophilia**在暴露于氯化产物后，其VBNC细胞数量未见显著变化，这可能与其较高的环境适应性有关。

此外，氯化处理对生物膜的细胞膜完整性也产生了影响。在暴露于3-Cl-MP和3,5-diCl-MP的生物膜中，细胞膜受损的比例显著增加，而MP暴露的生物膜则表现出更强的膜完整性。这种差异可能与氯化产物的化学性质和对细胞的毒性有关，例如，3,5-diCl-MP可能更容易引发氧化应激，从而破坏细胞膜结构。

### 氯化产物对生物膜结构和EPS组成的影响

通过光学相干断层扫描（OCT）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析，研究者进一步揭示了氯化产物对生物膜结构和EPS组成的影响。OCT结果显示，3-Cl-MP和3,5-diCl-MP暴露的生物膜在氯化处理后表现出更高的厚度减少率，而MP暴露的生物膜则未见明显变化。这表明，氯化产物可能更有效地破坏生物膜的结构，使其更容易受到氯化处理的影响。

CLSM分析进一步揭示了EPS在生物膜中的分布情况。结果显示，暴露于3-Cl-MP和3,5-diCl-MP的生物膜中，多糖和蛋白质的含量均有所增加，且其空间分布更加分散。这可能表明，生物膜在应对氯化产物时，通过增加EPS的合成来增强自身的保护机制，以维持结构稳定性和细胞存活率。然而，这种保护机制可能并不足以完全抵御氯化处理，从而导致生物膜结构的进一步破坏。

### 氯化产物对生物膜中细菌抗生素敏感性的影响

除了对生物膜结构和细胞状态的影响，研究还关注了MP及其氯化产物对生物膜中细菌抗生素敏感性的影响。结果显示，3,5-diCl-MP暴露显著增加了**S. maltophilia**对某些抗生素（如米诺环素和甲氧苄啶-磺胺甲恶唑）的敏感性，而MP暴露则未对**A. calcoaceticus**的抗生素耐受性产生显著影响。这一发现具有重要意义，因为它表明氯化产物可能通过改变细菌的生理特性，影响其对抗生素的反应，从而对饮用水系统的抗生素管理产生潜在影响。

### 研究意义与未来方向

本研究揭示了MP及其氯化产物在饮用水系统中对生物膜结构、细胞状态和抗生素敏感性的影响。这些发现不仅有助于理解氯化副产物在饮用水系统中的行为，还为优化消毒策略提供了科学依据。例如，如果某些氯化产物能够显著增加生物膜对氯化处理的敏感性，那么在实际应用中可能需要调整消毒参数，以确保饮用水的安全性。

此外，研究还强调了对新兴污染物和其氯化产物进行持续监测的重要性。由于这些化合物可能在生物膜中积累并改变其生态特性，因此在饮用水处理和输送过程中，需要采取更加全面的措施来控制它们的潜在危害。未来的研究可以进一步探讨这些氯化产物在更复杂环境中的行为，例如在多物种生物膜中的影响，以及其对饮用水系统中其他污染物的相互作用。

### 公共卫生与生态影响

从公共卫生角度来看，生物膜中细菌的耐受性和抗生素敏感性变化可能对饮用水的安全性构成威胁。例如，如果某些细菌在暴露于氯化产物后变得更加敏感，那么它们在氯化处理中的存活率可能会下降，从而减少潜在的病原体风险。然而，如果其他细菌表现出更强的耐受性，那么它们可能在饮用水系统中形成更具抵抗力的生物膜，增加消毒难度。

从生态角度来看，氯化产物可能通过改变生物膜的结构和组成，影响微生物群落的动态平衡。这种变化可能进一步影响水体的自净能力，甚至导致微生物群落的重组。因此，深入研究氯化产物对生物膜的影响，不仅有助于改善饮用水质量，还可能为更广泛的环境管理提供参考。

### 研究局限与建议

尽管本研究提供了有价值的见解，但其仍存在一定的局限性。例如，实验中使用的生物膜模型较为简单，仅涉及两种细菌，而实际饮用水系统中的生物膜通常由多种微生物组成。因此，未来的研究可以考虑使用更复杂的生物膜模型，以更好地模拟真实环境条件。此外，研究中未涉及长期暴露对生物膜的影响，因此需要进一步探讨不同暴露时间对生物膜特性的影响。

另外，本研究主要关注了氯化产物对生物膜的直接影响，但其间接影响（如对水体中其他污染物的协同作用）也值得进一步研究。氯化产物可能与其他污染物共同作用，产生更复杂的生态效应，这需要通过多污染物联合暴露实验来验证。

### 总结

本研究揭示了MP及其氯化产物在饮用水系统中对生物膜结构和细胞状态的影响。这些发现不仅有助于理解氯化消毒过程中的副产物问题，还为饮用水处理和输送系统的优化提供了新的视角。通过揭示氯化产物对生物膜的破坏机制及其对微生物耐受性的影响，本研究强调了在饮用水管理中对新兴污染物及其氯化产物进行系统评估的重要性。未来的研究应进一步拓展实验范围，以更全面地评估这些化合物在不同环境条件下的行为，并探索其对饮用水生态系统和人类健康的潜在影响。