异噻唑啉酮类杀菌剂会加剧反渗透膜上耐消毒细菌的滋生问题

《Desalination》：Isothiazolinone biocide aggravate disinfection-resistant bacterial fouling on reverse osmosis membranes

生物膜形成；消毒抗性细菌；甲基异噁唑啉酮；亚致死浓度；膜污染控制；群体感应；胞外聚合物；脉冲式投加

　　生物膜的形成已成为多个行业中亟待解决的问题，特别是在水处理过程中的膜过滤环节。生物膜不仅会降低水处理系统的通量，还可能引发严重的膜污染，甚至在膜破损后增加病原菌与人类接触的风险。因此，理解并控制生物膜的形成对于保障水处理效率和水质安全具有重要意义。目前，常用的生物膜控制方法包括使用非氧化性杀菌剂，如甲基异噻唑啉酮（MIT），以抑制生物膜的生长。然而，研究发现这些杀菌剂在某些情况下反而可能促进特定耐消毒菌（DRB）的生物膜形成，从而加剧膜污染问题。

本研究揭示了这一现象的机制。在水处理系统中，某些细菌，如**Bacillus cereus** CR19，具有耐消毒特性，并能够在膜表面形成稳定的生物膜。这种生物膜的形成不仅增加了膜污染的严重性，还可能影响水处理系统的长期运行。研究发现，MIT在亚致死浓度下（如2 mg/L）会触发这些细菌的应激反应，促进其代谢途径的调整，包括三羧酸循环和核糖体的上调，从而增强资源消耗型的适应能力。这种适应能力导致细菌在膜表面的附着量显著增加，具体表现为DNA质量的提升，以及长链结构的形成，这些结构有助于细菌在膜表面的定殖。此外，MIT还会激活PlcR群体感应和σ54（RpoN）依赖的调控通路，提高细菌的运动能力和胞外聚合物（EPS）的合成，从而加速生物膜的成熟。相比之下，MIT对非耐消毒菌如**Escherichia coli** 的生物膜形成没有显著促进作用。

上述现象表明，非氧化性杀菌剂在某些情况下可能无法有效控制生物膜，甚至可能引发意想不到的污染问题。这与传统观念相悖，即认为杀菌剂的主要作用是消除细菌。然而，研究显示，这些杀菌剂在某些情况下反而会促进耐消毒菌的生长和生物膜形成，进而导致膜污染的加剧。因此，如何在不影响膜结构的前提下有效控制生物膜，成为当前水处理研究的重要课题。

为了应对这一问题，研究提出了一种新的策略：通过间歇式投加高浓度的杀菌剂，以达到完全消毒的效果。这种方法相较于传统的连续亚致死浓度投加，能够显著减少膜污染层的厚度，降低58%。这一策略的提出基于对耐消毒菌应激反应机制的理解，以及其对杀菌剂的响应模式。间歇式投加不仅可以有效抑制细菌的生长，还能够避免细菌因长期暴露于低浓度杀菌剂而产生的适应性增强，从而减少生物膜的形成。

此外，研究还发现，非氧化性杀菌剂对耐消毒菌的抑制效果可能受到多种因素的影响。例如，不同种类的耐消毒菌对杀菌剂的敏感性存在差异，这可能与它们的代谢途径、群体感应系统以及细胞膜的结构有关。因此，在实际应用中，需要根据具体的细菌种类和水处理系统的特性，选择合适的杀菌剂和投加策略，以达到最佳的污染控制效果。

本研究通过实验验证了上述假设。实验中使用了**Bacillus cereus** CR19作为测试菌株，这是一种在市政反渗透（RO）系统中常见的耐消毒菌。同时，还选择了**Escherichia coli** CGMCC1.3373作为对照菌株，以比较不同细菌对MIT的响应。实验结果显示，MIT在亚致死浓度下会显著促进**Bacillus cereus** CR19的生物膜形成，而对**Escherichia coli** 没有类似的促进作用。这表明，MIT对耐消毒菌的影响是特异性的，可能与其独特的生理和生化特性有关。

进一步的机制研究表明，MIT通过激活PlcR群体感应系统和σ54（RpoN）依赖的调控通路，促进细菌的运动能力和胞外聚合物的合成。这些过程有助于细菌在膜表面的附着和生物膜的形成。同时，MIT还可能通过诱导细菌进入自我保护状态，增强其对杀菌剂的耐受性，从而进一步促进生物膜的形成。因此，MIT的使用不仅未能有效控制生物膜，反而可能成为促进生物膜形成的因素之一。

本研究的发现对于水处理行业的生物膜控制具有重要的指导意义。首先，它揭示了非氧化性杀菌剂在某些情况下可能无法有效控制生物膜，甚至可能加剧污染问题。其次，它提出了间歇式投加高浓度杀菌剂的新策略，以达到更好的污染控制效果。这一策略不仅能够减少膜污染层的厚度，还能够避免细菌因长期暴露于低浓度杀菌剂而产生的适应性增强，从而降低生物膜的形成风险。

此外，本研究还强调了对耐消毒菌应激反应机制的深入研究的重要性。了解这些机制不仅有助于优化杀菌剂的使用策略，还能够为开发新的生物膜控制方法提供理论依据。例如，通过调控细菌的代谢途径或群体感应系统，可能可以有效抑制生物膜的形成，从而提高水处理系统的运行效率和水质安全。

在实际应用中，水处理系统需要综合考虑多种因素，包括杀菌剂的种类、浓度、投加频率以及水处理系统的运行条件。例如，某些杀菌剂可能在低浓度下对耐消毒菌产生促进作用，而在高浓度下则能够有效抑制其生长。因此，选择合适的杀菌剂和投加策略对于控制生物膜至关重要。同时，还需要关注杀菌剂对水处理系统其他组成部分的影响，如膜材料、水流速度以及系统内的微生物群落结构。

综上所述，本研究揭示了非氧化性杀菌剂在某些情况下可能无法有效控制生物膜，甚至可能加剧污染问题。通过间歇式投加高浓度杀菌剂，可以有效减少膜污染层的厚度，提高水处理系统的运行效率。这一发现不仅为水处理行业的生物膜控制提供了新的思路，还强调了对耐消毒菌应激反应机制的深入研究的重要性。未来的研究可以进一步探索不同杀菌剂对耐消毒菌的影响，以及如何通过调控细菌的生理和生化特性来优化生物膜控制策略。