生物膜成熟度与水源类型对饮用水管网中卤代苯甲醚生成的影响机制研究

针对饮用水系统中极低嗅阈值的卤代苯甲醚（HAs）引发的异味问题，研究人员通过中试模拟管网，揭示了生物膜成熟度（5个月vs 2周）、温度（16°C vs 24°C）及水源类型对6种HAs（如2,3,4-TCA）生成的显著影响。成熟生物膜使HAs产量提升10-30倍，且温度升高2-4倍转化率，为管网异味防控提供关键理论依据。

　　

饮用水异味问题长期困扰全球供水系统，尤其是具有极低嗅阈值（sub ng.L^-1）的卤代苯甲醚（Haloanisoles, HAs）类化合物。这类物质在管网中通过微生物转化卤代酚（Halophenols, HPs）生成，其 earthy/musty 气味易引发消费者对自来水安全性的质疑。尽管自来水比瓶装水更可持续，但异味问题导致消费偏好偏移。现有研究多聚焦于实验室规模，难以反映真实管网中生物膜、温度和水源类型的复杂交互作用。

为解决这一难题，比利时根特大学与弗拉芒饮用水公司的研究团队在《Water Research》发表论文，采用三环路PVC-U中试管网系统（100m×80mm），系统研究了6种HAs（2,4-DCA、2,4,6-TCA、2,3,4-TCA、2,3,6-TCA、2,4,5-TCA和2,4,6-TBA）的生成规律。研究通过对比年轻生物膜（2周）与成熟生物膜（5-7个月）、不同温度（16°C/24°C）及地表水/地下水水源条件下的HAs动力学，结合微生物群落分析（16S rRNA测序）和O-甲基转移酶基因检测，揭示了生物膜成熟度是主导HAs生成的关键因素。

关键方法

1. 中试管网模拟：三组独立PVC-U循环系统（500L/环路），配备温控与采样点
2. HPs/HAs分析：固相微萃取-气相色谱质谱（SPME-GC/MS）定量6种目标物
3. 生物膜表征：ATP检测生物量，宏基因组测序解析群落结构
4. 冲洗实验：评估HAs在生物膜-水相间的分配效应

主要结果

Increasing formation of haloanisoles when biofilm is mature
成熟生物膜（5个月）的生物量是年轻生物膜（2周）的10倍，其产生的HAs浓度高出10-30倍。即使HP初始浓度仅0.1 mg.L^-1，年轻生物膜生成的HAs（1-3 ng.L^-1）仍超过嗅阈值（如2,4,6-TCA OTC为0.03 ng.L^-1）。成熟生物膜含有更丰富的HA生成菌（如放线菌门）和O-甲基转移酶基因，促进HPs向HAs转化。

Temperature and source water effects
温度从16°C升至24°C使各HAs产量增加2-4倍，但HP-HA转化率仍低于0.2%。2,3,4-TCA在所有条件下均为优势异构体，地表水源中HAs生成量略高于地下水，但差异小于生物膜和温度的影响。

Flushing efficacy
冲洗程序对HAs的去除效率受化合物在生物膜-水相分配系数制约，提示需结合生物膜清除策略。

结论与意义
该研究首次量化了生物膜成熟度对饮用水管网HAs生成的级联效应：成熟生物膜通过增加生物量和微生物多样性（如放线菌、变形菌门），显著提升O-甲基化能力，使2,3,4-TCA等关键HAs产量跃升。温度升高虽加速反应动力学，但转化效率仍受限于甲基供体可用性。研究为供水企业提供了明确的风险管控靶点——控制生物膜积累（如定期机械清洗）比调节温度或水源选择更具可操作性。此外，发现冲洗策略需考虑HAs的亲脂性特征，这对制定异味应急方案具有直接指导价值。论文建立的PVC-U管网模型为后续塑料材质管网的异味研究提供了标准化平台。