内毒素是来自革兰氏阴性菌外膜的致热性脂多糖，已知会引发人类发热、败血症休克和器官炎症[1]。在饮用水分配系统中，革兰氏阴性菌通常在管道壁上形成生物膜[2]。在正常情况下，处理后的水中这些细菌的浓度较低，通常不会造成急性危害。然而，周期性干扰或消毒事件可能导致内毒素大量释放，从而带来健康风险[3]。此外，当水被气溶胶化时，内毒素暴露与呼吸道炎症有关，这在医疗环境中是一个关键问题。婴儿、老年人和免疫系统受损者等脆弱人群尤其容易受到影响，内毒素污染还与透析相关的致热反应有关。虽然内毒素尚未在饮用水中受到监管，但它们越来越多地被视为微生物风险的新兴水质指标[4]。因此，了解和控制自来水中的内毒素水平对公共卫生保护至关重要。
微生物生物膜在饮用水分配网络中普遍存在，并显著影响水质。在生物膜中，细菌嵌入自身产生的基质中，从而免受环境压力和消毒剂的影响[5]。生物膜可以藏匿机会性病原体和革兰氏阴性异养菌，这些微生物会不断向水中释放细胞和内毒素。饮用水分配系统中的生物膜会引起许多问题：它们降低消毒剂浓度、增加细菌数量、降低溶解氧、影响水质和气味、导致水体变色（红色或黑色），并加速管道腐蚀[5]。关键的是，生物膜基质阻碍了消毒剂的渗透，使内部的微生物能够在标准残留水平下存活[6]。在整个网络中保持消毒剂残留是控制生物膜的主要策略，这也是许多法规的要求。
氯是最常用的分配系统消毒剂，因为它具有强氧化潜力，并已被证明能有效灭活细菌和病毒。ClO2是一些供水系统使用的替代消毒剂，因其广谱抗菌作用和较低的氯化消毒副产物形成倾向而受到重视[7]。与在水中形成次氯酸并迅速反应的氯不同，ClO2主要以溶解态存在，不会水解为HOCl，并主要通过氧化细胞蛋白质和膜来杀死微生物。二氧化氯会产生亚氯酸盐和氯酸盐，在含溴的水中还会生成溴酸盐，但它不会产生氯化有机消毒副产物[8]。氯和ClO2都是氧化剂，用于大量水中以抑制浮游细菌并在一定程度上穿透生物膜。然而，它们在生物膜环境中的表现可能有所不同。游离氯的反应性很高，常常在深入扩散之前就被有机物消耗在生物膜表面[9]。由于反应-扩散限制，氯通常只能杀死生物膜的外层，而内层仍然存活[10]。二氧化氯的行为介于这两者之间：它像氯一样是强氧化剂，但一些研究表明由于其不同的反应动力学，它可能更深入生物膜。例如，Gagnon等人证明，0.5 mg/L的ClO2残留量在环形反应器生物膜中比等效的亚氯酸盐或低浓度氯实现了更大的细菌数量减少[11]。现场经验表明，二氧化氯可以有效去除生物膜层，但这会导致管道表面腐蚀[12]。总体而言，氯和ClO2都是有效的消毒剂；它们对已建立生物膜（就微生物群落变化和副产物释放而言）的比较影响是一个活跃的研究领域。
最近的研究揭示了残留消毒剂如何影响生物膜微生物群。消毒倾向于选择更耐受的微生物。例如，在实验室管道中用游离氯或ClO2处理显著减少了生物膜中的革兰氏阴性变形菌的数量，同时增加了革兰氏阳性厚壁菌的数量[13]。许多革兰氏阴性菌对氧化剂敏感，因此它们在消毒剂作用下的减少可能会直观地减少内毒素来源。然而，一个重要的悖论是，杀死革兰氏阴性菌会释放其内毒素。当细胞膜被破坏时，内毒素会释放到水中。关于水处理过程的研究指出，即使细菌数量下降，消毒也可能导致内毒素水平急剧上升[14]。薛等人观察到在再生水处理过程中，氯化作用使细胞结合的内毒素释放为游离内毒素，显著增加了水中的内毒素活性[14]。只有经过长时间接触后，进一步的氧化才部分减弱了内毒素活性，即使如此，内毒素水平也没有恢复到背景水平[15]。常规剂量的氧化剂无法完全破坏内毒素分子[4]。特别是氯可能会氧化内毒素的某些部分，但往往不足以消除其免疫活性[15]。ClO2通过不同的作用机制（单电子转移反应）可能在降解内毒素结构方面更有效。边等人报告称，在实验室测试中，ClO2的内毒素去除率高于氯[16]。然而，关于实际生物膜环境中的直接比较数据在文献中仍然缺乏。大多数先前的研究集中在消毒剂对微生物或一般水质指标的效果上，而不是量化内毒素的释放和持久性。因此，不同消毒剂下内毒素释放的机制和程度仍是一个关键的知识空白。我们尚不清楚在分配系统中使用氯与ClO2是否会导致消费者水龙头处的内毒素水平有显著差异。然而，大多数机制研究，包括本研究，都依赖于代表性的革兰氏阴性菌模型菌株，而不是全规模的多物种生物膜，而实际饮用水生物膜的复杂性可能导致内毒素释放行为存在菌株依赖性或群落水平的变化。
为填补这一知识空白，本研究系统比较了饮用水生物膜在氯和ClO2消毒下的内毒素释放情况。本研究未考虑氯胺和紫外线，因为重点关注的是代表性的强氧化剂，即氯和二氧化氯。与主要关注总体内毒素水平或短期消毒效果的前期研究不同，本研究结合了单细胞内毒素释放分析和多种机制工具（包括钾（K+）泄漏、流式细胞术和SEM），以阐明内毒素释放的细胞级途径。此外，还进行了长期生物膜实验，以揭示不同氯残留下结合和游离内毒素的动态分配，这在过去很少被系统研究过。分析强调了两种消毒剂的独特倾向：氯更容易引发急剧的内毒素峰值，而二氧化氯产生的峰值较低，并在释放后显示出部分减弱。这些发现为消毒剂作用与内毒素动态之间的相互作用提供了新的见解，并为管理饮用水分配系统中的残留消毒提供了实际指导。
