近日，《凈水技術(shù)》小編關(guān)注到，浙江大學張可佳副教授團隊在供水管網(wǎng)中的嗅味問題研究上又有了新的突破，成果被發(fā)表在國際知名期刊Water Research, Journal of Hazardous Materials 和Science of the Total Environment上。凈水技術(shù)特邀請張可佳副教授結(jié)合以往團隊研究進行整理，分享對鹵代苯甲醚（Haloanisoles, HA）引起的管網(wǎng)水嗅味問題的研究成果，以期為今后龍頭水土霉味問題的解決技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
　　背景
　　近年來，供水管網(wǎng)引發(fā)的嗅味問題受到了越來越多的關(guān)注，已成為我國飲用水品質(zhì)保障中一項亟需解決的問題。鹵代苯甲醚（Haloanisoles, HA）是飲用水中一類土霉味的嗅味物質(zhì)，主要由供水管網(wǎng)內(nèi)的微生物代謝分泌產(chǎn)生。HA在國內(nèi)外管網(wǎng)水中都普遍存在，且其嗅閾值較低（表1），因此容易引發(fā)管網(wǎng)末梢水的異嗅異味問題。
　　HA的主要生成路徑如圖1所示：人為排放、加氯消毒、管道釋放等因素造成管網(wǎng)水中會殘留一定量的鹵代苯酚（HP）。作為前體物，HP羥基上的氫原子在微生物O-甲基轉(zhuǎn)移酶（OMT）的催化下，可被甲基供體提供的甲基所取代，生成甲基化產(chǎn)物HA。該過程可視為微生物對HP的解毒作用，但同時產(chǎn)生的副產(chǎn)物HA又引發(fā)了飲用水嗅味問題，是造成自來水感官指標不佳的重要因素之一。

　　表1幾種常見HA的嗅閾值


　　圖1：管網(wǎng)內(nèi)HA的生成路徑示意圖
　　目前有關(guān)HA在管網(wǎng)中生成的深入機制尚不明確，許多科學問題亟待解決。其中幾個關(guān)鍵問題為：（1）HA在管網(wǎng)內(nèi)的生成規(guī)律如何，有哪些主要的影響因素？（2）管網(wǎng)內(nèi)潛在HA生成微生物的種類是什么，它們在反應(yīng)過程中會發(fā)生何種變化？（3）優(yōu)勢HA生成微生物的HP甲基化特點有哪些？針對上述問題，本課題組對管網(wǎng)內(nèi)微生物生成HA的規(guī)律和機理進行了較為深入的探索研究，計劃為今后龍頭水土霉味問題的解決技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
　　主要研究內(nèi)容
　　本課題組利用中試管網(wǎng)平臺（圖2（a））和模擬管網(wǎng)環(huán)形反應(yīng)器（AR，圖2（b）），研究了不同影響因素（管材、流速、溫度和余氯）下管網(wǎng)內(nèi)典型HA的生成情況?；?6S rRNA和ITS1基因測序技術(shù)，初步揭示了管網(wǎng)生物膜中潛在HA生成微生物的種類，并研究了甲基化反應(yīng)前后生物量和群落結(jié)構(gòu)的變化。從AR 中分離純化出了幾株細菌，根據(jù)各自在實際管網(wǎng)中的相對豐度和HA 生成能力，篩選出了優(yōu)勢HA生成菌，并在此基礎(chǔ)上建立了潛在HA嗅味風險評估方法。

　?。╝）

　?。╞）
　　圖2：中試管網(wǎng)平臺（a）和AR（b）實物圖
　　重亮點簡介
　　1. 篩選出了影響HA生成的關(guān)鍵因素和濃度最大的HA種類
　　如圖3所示，管材、溫度、流速和余氯均會影響2,4,6-TCA的生成，具體表現(xiàn)為：鑄鐵管生成2,4,6-TCA的濃度最高（385ng/L），其次是不銹鋼管（320ng/L），PE 管產(chǎn)生的2,4,6-TCA濃度最低（97.0ng/L）；溫度從20℃上升到30℃時，2,4,6-TCA 的生成量可增加7.23%~53.5%；主體水流速增加（從0.1增加到1.4m/s）促進了2,4,6-TCA的生成；3mg/L余氯對2,4,6-TCA 生成的抑制率為38.8%~47.1%。其中，管材由于直接與管壁生物膜的生物量有關(guān)，因而對2,4,6-TCA生成的影響最為顯著。

　　圖3：管網(wǎng)內(nèi)不同因素（a管材、b溫度、c流速和d余氯）對2,4,6-TCA生成的影響
　　如圖4所示，5種HA 生成量由大到小依次為：2,3,6-TCA>2,4-DCA>2,4,6-TBA~ 2,4,6-TCA>2-MCA。其中2,3,6-TCA為生成量最大的HA，這與實際調(diào)查的結(jié)果相符合。

　　圖4：5種HA在AR內(nèi)52h的生成量
　　關(guān)于2,3,6-TCA具有最大生成量的原因，除了OMT具有底物專一性外，還可能與前體物HP的解離能力有關(guān)。如圖5所示，HP需要將H+解離后才可被甲基結(jié)合，因此處于酚離子形態(tài)的HP更易發(fā)生反應(yīng)。2,3,6-三氯苯酚（2,3,6-TCP）的pKa值最低，更易解離生成酚離子，因此容易被甲基化為2,3,6-TCA。

　　圖5：HP發(fā)生O-甲基化反應(yīng)的分子機制

　　2. 揭示了潛在HA生成微生物種類及其變化規(guī)律
　　生物膜內(nèi)細菌和真菌都可以甲基化產(chǎn)生HA，其中細菌包括：不動桿菌屬（Acinetobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、細桿菌屬（Microbacterium）、紅球菌屬（Rhodococcus）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、黃桿菌屬（Flavobacterium）；真菌包括曲霉菌屬（Aspergillus）、青霉菌屬（Penicillium）、支頂孢屬（Acremonium）、木霉屬（Trichoderma）等。
　　生物膜內(nèi)細菌生物量比真菌生物量高出3~4個數(shù)量級，這說明實際給水管網(wǎng)中的HA生成微生物主要為細菌，而非以往文獻中提及的真菌。反應(yīng)52h后，AR采樣片生物膜內(nèi)的細菌總數(shù)小幅下降，主體水中的細菌總數(shù)大幅上升；采樣片生物膜的微生物群落組成和多樣性均發(fā)生了一定程度的改變。由圖6可知，潛在HA生成細菌中，假單胞菌屬的相對豐度急劇下降，紅球菌屬和黃桿菌屬的相對豐度有所增加；各潛在HA生成真菌菌屬的相對豐度變化相對較小。

圖6：潛在HA生成細菌（a）和真菌（b）的相對豐度在HP甲基化反應(yīng)前后的變化
　　3. 篩選出了一種HA生成優(yōu)勢細菌
　　從AR中分離出了8株可培養(yǎng)菌，并利用16S全長測序進行了菌種鑒定。對每株細菌的HA甲基化能力進行測定，結(jié)果如圖7所示：每株細菌都可將HP甲基化為HA，其中Z001（伴熊鞘氨醇單胞菌）和Z006（摩拉維亞假單胞菌）的總HA生成量最大，但前者更易生成2,3,6-TCA，后者更易生成2,4-DCA。

　　圖7：8株細菌的HA生成能力
　　基于實際出廠水和管道生物膜樣品的細菌群落組成，可知上述8株細菌在管網(wǎng)內(nèi)屬水平的分布情況（見圖8），其中鞘氨醇單胞菌屬和假單胞菌屬具有較大的豐度優(yōu)勢。結(jié)合細菌的HA生成能力、群落內(nèi)豐度以及主要生成的HA種類，伴熊鞘氨醇單胞菌可被認為是一株優(yōu)勢HA生成細菌。

　　圖8：8株細菌對應(yīng)菌屬在出廠水和管道生物膜樣品中的分布情況
　　4. 提出了管網(wǎng)內(nèi)潛在HA嗅味風險評估方法和新的飲用水2,4,6-TCP限值
　　通過管網(wǎng)內(nèi)細菌生物量、HA生成菌相對豐度、HA生成能力，建立了潛在HA嗅味風險評估方法（圖9）。根據(jù)公式Eq(1)，計算出水中最大容許細菌數(shù)（Cmax），再根據(jù)文獻中實際管網(wǎng)水在不同條件下的細菌數(shù)量，提出用來評估不同等級嗅味風險的Cmax取值范圍：（1）Cmax>106cells/mL為“低”風險；（2）104cells/mL≤Cmax≤106cells/mL為“中等”風險；（3）Cmax<104cells/mL為“高”風險。5種HA嗅味風險大小順序為：2,4,6-TBA>2,4,6-TCA>2,3,6-TCA>2,4-DCA>2-MCA?；谛嵛段廴究刂?，提出了相較于《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006（0.2mg/L）更加嚴格的飲用水2,4,6-TCP限值——0.07mg/L。

　　Eq(1)

　　圖9: 潛在HA嗅味風險評估方法流程圖
　　與上述內(nèi)容相關(guān)的發(fā)表論文
　　[1] Xinyan Zhou, Kejia Zhang*, Tuqiao Zhang, Cheng Cen, Renjie Pan. Biotransformation of halophenols into earthy-musty haloanisoles: investigation of dominant bacterial contributors in drinking water distribution systems. Journal of Hazardous Materials, 2020, 403, 123693.
　　[2] Xinyan Zhou, KejiaZhang*, TuqiaoZhang, YulongYang, MiaomiaoYe, RenjiePan. Formation of odorant haloanisoles and variation of microorganisms during microbial O-methylation in annular reactors equipped with different coupon materials. Science of The Total Environment, 2019, 679: 1-11.
　　[3] Kejia Zhang, Cong Cao, Xinyan Zhou, Feifei Zheng, Youmin Sun, Zhengqing Cai, Jie Fu*. Pilot investigation on formation of 2,4,6-trichloroanisole via microbial O-methylation of 2,4,6-trichlorophenol in drinking water distribution system: An insight into microbial mechanism. Water Research, 2018, 131: 11-21.
　　[4] Xinyan Zhou, Kejia Zhang, Tuqiao Zhang, Cong Li, Xinwei Mao. An ignored and potentialsource of taste and odor (T&O) issues—biofilms in drinking water distribution system (DWDS). Applied Microbiology and Biotechnology, 2017, 101(9): 3537-3550.