第四章 鹹井水淡化及海水淡化廠RO膜之阻塞特性
5.2 季節對生物性阻塞之影響
5.2.2 膜表微生物之增長
試驗期間，視情況以3 ~ 4 天之時間間隔，將 RO 膜拆下進行染色分析，
每次染色包括染色前計數及染色後計數，染色前微生物細胞數量與前次染 色之差異乃用以代表繼前次染色後膜表新增生微生物量，染色後與染色前 之細胞數量差異，則表示新黏附之微生物總量。
圖5.3 為隨操作時間之膜表微生物總量變化，冬季微生物之生長較夏季 緩慢且總累積細胞數較少，經對數成長期後，冬季與夏季約分別於第10 天 及第 8 天後達一穩定之平衡(plateau phase)，細胞之數量約維持於 3×104及 105 cell/cm2。
operation time (days)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Log of accumulated cells (cells/cm2 )
0 1 2 3 4 5 6
summer (Jun. ~ Jul.) winter (Jan. ~ Feb.)
圖5.3 不同季節膜表微生物量隨操作時間之變化
圖5.4 則為冬夏季膜表微生物之總累積、增生及新黏附細胞量，由圖可 知，無論是冬季或夏季、對數成長期或高原期，其新進黏附之微生物皆十 分少量，整個試驗期乃皆以膜表微生物之增生決定微生物總量之變化，此 外，冬季之膜表微生物於第10 天達最大總量約 4×104 cell/cm2，達此量後雖 有些微波動，但約可維持於 3×104 cell/cm2，夏季則於第 8 天即可達 8×104 cell/cm2，並於第 12 天大量繁殖至 2×105 cell/cm2，此最大量為冬季最大量 之 4 倍，然而，歷經瞬間族群之大量生長，根據生物族群之發展特性，過 度繁殖將可能造成生物體之迅速死亡，因瞬間營養鹽之匱乏，面臨環境之 巨大變化，微生物將改變自體特性，如縮小菌體以提高營養鹽之吸收，部 份微生物亦可能以進入VBNC狀態來因應，此狀態除導致菌體不成長增生 外，更可能因面臨突如其來的衝擊，細胞體產生帶氧代謝效應而傷害菌體 本身(Munn, 2004)，微生物之不成長與受傷，導致第 15 天之細胞數驟降至 8×104 cell/cm2，然族群並非因此而消滅，於第 18 天細胞數又回復至 10 5 cell/cm2左右，此震盪幅度應將逐漸趨緩，而進入族群發展之高原期 (plateau phase)。
比較微生物之生長與 RO 效能之關係，就具有顯著惡化之夏季試驗而 言，RO 膜之產水通量及 TDS 去除率之表現約於 3 ~ 12 天急驟變差，而由 圖5.4(b)可見此時亦正逢微生物之對數成長期，因此，大量增生之微生物釋 放大量EPS 可能為導致 RO 效能變差之主要因素。
(a)winter
operation time (days)
0 5 10 15 20
total cells (cells/cm2 )
0 1e+4 2e+4 3e+4 4e+4
cell increasing rate (cells/cm2 -day) 0 1e+4 2e+4 3e+4 4e+4
total cells multipied cells adhered cells
(b)summer
operation time (days)
0 5 10 15 20
total cells (cells/cm2 )
-5e+4
cell increasing rate (cells/cm2 -day)
-5e+4
利用冬季及夏季試驗結束後RO 膜表面萃取下之生物量，藉由分子生物 技術，進行膜表累積之菌相鑑定，表 5.2 為菌種鑑定結果，在冬季及夏季 RO 膜表分別分離出 4 株及 9 株菌，分屬於 Bacteroidetes、Proteobacteria、
Planctomycetes 門 ， Flavobacteria 、 γ-proteobacteria 、 α-proteobacteria 、 Planctomycetacia 綱及 Flavobacteriales、Alteromonadales、Rhodobacterales、
Oceanospirillales、Planctomycetales 目中。首次被分離地區除 Winogradskyella poriferorum、Silicibacter lacuscaerulensis、Halomonas glaciei、planctomycete GMD14H10 來自巴哈馬、冰島、澳洲等區，其餘多分離自日本與韓國周邊 海域，相關菌種背景資料詳見附錄 A。整體而言夏季之菌相較冬季歧異度 大，就夏季菌相而言，以 W. poriferorum、S. lacuscaerulensis、planctomycete GMD14H10 為優勢菌種，冬季則為 Winogradskyella thalassocola。
冬季之優勢菌 W. thalassocola 與僅於冬季 RO 膜表出現之 Halomonas glaciei，二者所適於成長之溫度分別為 4 ~ 33℃(21 ~ 23℃最佳)及 4 ~ 22℃，
而本試驗期間，冬季進水溫度分布於20 ~ 25℃，便十分適於該二菌種之繁 殖，H. glaciei 具有多醣類水解酵素，可將多醣類快速水解，此對海淡 RO 膜表面EPS 之降解應具有正面幫助。
共同存在冬季及夏季的菌種 Marinobacter aquaeolei，具有鐵氧化能力，
在低鐵濃度環境下，可利用 siderophores 溶解鐵，並促進細胞對鐵的吸收 (Homann et al., 2009)，並生成氧化鐵於膜表面沉積，且此菌種存在於管線亦 將導致實廠及模型廠系統中不鏽鋼或鐵材質之腐蝕。
表 5.2 不同季節之膜表菌相變化
DGGE strain species Accession Max
ident Win Sum Optimal temp. for growth (℃)
1 Sediminibacter furfurosus AB255369.1 88 ○ 25 ~ 30
2 Pseudoalteromonas elyakovii EU770411.1 99 ○ 25 ~ 30
3 Marinobacter aquaeolei AF173969.1 97 ○ ○ 13 ~ 50
4 Thalassobius aestuarii DQ535898.1 86 ○ 15 ~ 35
5 Winogradskyella poriferorum AY848823.1 96 ○ ○ 12 ~ 44
6 Silicibacter lacuscaerulensis DQ915630.1 95 ○ 22 ~ 50
(optimum 45℃)
7 Winogradskyella thalassocola AY771720.1 92 ○ ○ 4 ~ 33
8 Muricauda aquimarina EU440979.1 94 ○ 30 ~ 37
9 Halomonas glaciei DQ984277.1 97 ○ 4 ~ 22
○ -- AY162122.1 84
10 planctomycete GMD14H10 Winter Summer
1 2 3 4 6 5 7 8 9 10
圖5.5 為二試驗之RO膜表FTIR圖譜，其可提供更進一步之討論，其中 根據Omoike & Chorover (2004)及Smith (1998)可知 1656 ~ 1530 cm-1及1106
~ 970 cm-1分別為蛋白質及多醣類之特徵波峰，顯示EPS之存在，且皆於夏 季波峰較大，Shenga et al. (2008)與Wingender et al. (1999)指出微生物周圍及 其所釋放之EPS含有大量帶負電荷之官能基，並有很強之吸附眾金屬能力，
此可能為導致夏季膜表累積明顯較大量之矽與鈣之原因，此外，矽相關之 特徵波峰 802 cm-1 代表 Si-O-Si 及 760 ~ 670 cm-1 代表 Si-CH2 訊號於 夏季亦較強，其分別代表無機矽與有機矽之存在(Smith, 1998)，此亦證明矽 與有機物產生共沉澱，而該有機物亦可能是EPS，因此，本試驗顯示矽與鈣 為各種無機元素中，受季節影響較大者，且其可能直接或間接導因於微生 物之活動，未來對於脫鹽系統更微觀之研究，可著重於微生物活動與無機 性阻塞之關係。
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