内毒素是革兰氏阴性细菌外膜中的脂多糖成分，在细胞死亡或裂解时释放到环境中[1]。它具有强烈的致热性和促炎活性，可引发发热、炎症反应甚至败血症休克，对人类健康构成严重威胁[2]。尽管内毒素在空气颗粒和医疗用水系统（如透析液）中的暴露已得到广泛研究，但在饮用水中的存在却较少受到关注。通过饮用水摄入内毒素仍可能对健康造成潜在风险，特别是对于婴儿或免疫系统受损的人群，因为即使在低浓度下，脂多糖也能引发炎症反应[2][3]。目前国际上尚未制定饮用水中内毒素的强制性限值，但许多研究强调了加强对其产生和迁移监测的必要性[4]。
氯胺和紫外线消毒是饮用水系统中广泛应用的两种消毒方法。这两种方法分别代表了典型的化学和非化学消毒策略。游离氯和氯胺都是饮用水系统中常用的消毒剂。在某些地区，游离氯残余物在整个分配网络中持续存在；而在其他地区，由于氯胺的稳定性更强且残余时间更长，因此作为二次消毒剂使用。本研究选择氯胺作为代表性化学消毒剂，以评估在持续残余消毒条件下的内毒素释放[5]。氯胺主要通过氧化细胞膜和蛋白质来使微生物失活[6]。也有研究表明，氯胺降解游离内毒素的能力有限，导致释放的内毒素在水中长时间存在[1][7]。相比之下，紫外线消毒主要通过诱导DNA损伤（如嘧啶二聚体形成）来使微生物失活，而不是通过常规饮用水处理剂量下的氧化作用。然而，紫外线对内毒素分子没有直接影响，常规剂量往往无法降低内毒素水平，有些研究甚至报告其活性保持不变[8]。综述表明，氯胺、游离氯和紫外线通常对内毒素的去除效率较低，而臭氧和其他高级氧化工艺的去除效率较高，通常超过70%[9][10]。
由微生物、胞外聚合物物质和无机颗粒组成的生物膜在分配系统中普遍存在。这些生物膜为微生物提供了保护性栖息地，增强了其对消毒剂的抵抗力，并能在环境压力下释放细胞内成分[11][12]。在氯胺消毒下，生物膜中的氨氧化细菌表现出耐受性，常常导致氯胺残余物迅速降解和随后的微生物再生[13]。研究表明，有无氯胺残余的系统中微生物群落结构存在明显差异。暴露于氯胺下的生物膜通常多样性较低，特定细菌群落富集[5][14]。这些发现表明，生物膜不仅影响细菌的失活，还可能改变内毒素的释放动态。
先前的研究比较了不同消毒方法对大肠杆菌内毒素释放的影响[1]，但大多数研究仅限于悬浮细胞或培养基。然而，在受控条件下进行机制比较以及在饮用水生物膜中的生态相关观察仍然不足。在本研究中，使用简化的浮游大肠杆菌模型在严格控制条件下量化了消毒引起的内毒素释放动力学，因为大肠杆菌是一种具有明确脂多糖结构的代表性革兰氏阴性细菌，并且已被广泛用于消毒研究。同时，使用旋转圆盘反应器（RDR）以自来水为培养基，在与分配系统相关的低营养和流体剪切条件下培养多物种饮用水生物膜，以检查是否也能在生物膜相关系统中观察到与内毒素相关的响应。为了解决这一空白，本研究旨在将消毒过程中的内毒素释放与生物膜相关过程联系起来。首先，使用浮游大肠杆菌作为受控的革兰氏阴性模型，比较氯胺和紫外线消毒过程中的内毒素释放。其次，将成熟的RDR生物膜直接暴露于氯胺和紫外线下，以确定消毒引起的钾离子泄漏和内毒素释放是否也会发生在生物膜相关微生物群落中。第三，将RDR生物膜暴露于外源内毒素的浓度梯度下，以区分接近消毒产生的低EU/mL暴露和高负荷挑战暴露。这种综合设计为饮用水系统中微生物失活、内毒素释放和生物膜响应之间提供了更清晰的实验联系。
这一空白限制了我们对消毒风险的全面理解，特别是在考虑生物膜相关微环境的复杂性时。为了解决这个问题，本研究构建了一个模拟的饮用水生物膜，并比较了氯胺和紫外线消毒在饮用水相关条件下的内毒素积累情况。本研究不是重新定义已知的氯胺和紫外线的主要失活机制，而是比较了它们在饮用水相关条件下的内毒素积累模式，并进一步评估了生物膜群落对释放内毒素的潜在响应。这项工作旨在为优化分配系统中的消毒策略提供科学支持，并有助于保障饮用水安全。
