木质素疏水性增强大肠杆菌在NaClO暴露下的存活机制及其对水消毒过程的潜在影响

本研究针对水体消毒过程中悬浮颗粒物导致的微生物控制失效问题，揭示了木质素通过疏水相互作用吸附大肠杆菌并降低其膜通透性，从而显著削弱NaClO杀菌效果。研究结合转录组学、生理学实验和吸附动力学模型，证实木质素通过上调能量代谢（ATP合成）和抗氧化基因（katG、rclA等），促进细菌存活。该发现为理解天然颗粒物介导的氯消毒失效提供了新视角，对优化水处理工艺具有重要意义。

　　

在饮用水安全领域，氯消毒是控制病原微生物的核心手段，但高浊度水体中的悬浮颗粒常导致消毒失败。尤其值得关注的是，木质素作为自然界第二丰富的生物聚合物，广泛存在于农业废水、河流甚至海洋中，其潜在的微生物保护作用却鲜有研究。当浑浊的水体遭遇常规氯消毒时，木质素是否会成为细菌的“防弹衣”？这一问题直接关系到全球约1.47亿依赖地表水人群的饮水安全。世界卫生组织2024年数据显示，饮用水污染引发的霍乱病例已超5.8万例，凸显了消毒失效的严峻性。

中国疾病预防控制中心环境所的研究团队在《Water Research X》发表的研究，首次系统揭示了木质素通过独特机制保护大肠杆菌抵抗NaClO消毒的全过程。研究采用多学科交叉方法：通过扫描电镜(SEM)观察细菌-木质素复合体形貌，结合伪二级动力学(PSO)和Freundlich模型量化吸附能力；利用转录组学和RT-qPCR分析差异表达基因(DEGs)；通过接触角测定和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析疏水相互作用；辅以ATP含量、活性氧(ROS)和抗氧化酶(SOD/GSH-PX/CAT)等生理指标检测。

研究结果

2.1 木质素显著降低NaClO对大肠杆菌的灭活效率
在0.3 mg/L NaClO作用下，木质素使细菌灭活量减少1.1 log（对照组4.6 log→木质素组3.5 log），而纤维素、微塑料等颗粒无此效应。关键发现是木质素不消耗有效氯，其保护作用源于特异性吸附。

2.2 木质素促进存活细菌的代谢复苏
转录组分析显示，木质素组53个上调基因中，prpD/E/C（丙酸代谢）、metE/C（甲硫氨酸合成）、fadM/H（脂肪酸代谢）等能量相关基因表达提升2.01-6.76倍。实验验证显示ATP含量升高1.8倍，且生长曲线滞后时间(L)从10.82小时缩短至4.8小时，表明细菌恢复能力增强。

2.3 木质素的强吸附特性形成物理屏障
PSO模型显示木质素吸附平衡量(Q_e
)达9.17×10⁴
CFU/mL，高于云母的7.75×10⁴
CFU/mL。ONPG水解实验证实木质素使细菌膜通透性降低50%，阻碍NaClO渗透。

2.4 疏水性是保护作用的核心机制
FTIR揭示木质素通过甲基(2960 cm^-1
)、芳香环(1651 cm^-1
)和醚键(1234 cm^-1
)等疏水基团吸附细菌。pH梯度实验显示，细菌灭活率与木质素-细菌复合体疏水性呈强正相关(r=0.985)，在pH=6时保护作用最弱（接触角95.31°→75.05°）。

结论与意义
该研究开创性地阐明木质素通过三重机制增强细菌氯抗性：①疏水介导的强吸附形成物理屏障；②调控能量代谢和抗氧化通路（如katG编码过氧化氢酶）；③降低膜通透性。这一发现挑战了传统浊度管理理念，指出疏水性而非颗粒浓度才是影响消毒效率的关键参数。对于含木质素丰富的农村水源，研究建议优化pH调控（pH≈6时防护最弱）或开发疏水颗粒特异性去除工艺，为保障饮用水生物安全提供了理论基石。