《Desalination》：Assessment of biostability and oligotrophic bacterial growth in ultrapure water pipes under various hydraulic conditions using online flow cytometry
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本研究评估了PVDF、SUS等管道材料在高温下的迁移潜力和生物膜形成能力，首次结合在线流式细胞术实时监测不同水力条件下的生物膜动态变化，揭示了材料表面特性和水力条件对生物膜形成的影响，为超纯水系统优化提供依据。
Thi-Huyen Duong|Jihyeon Tak|Sang Yeob Kim|Bohyeon Park|Soohoon Choi|Kyung-Hyuk Lee|Sung Kyu Maeng
韩国首尔广津区Neungdong-ro 209号，世宗大学土木与环境工程系，邮编05006
摘要
严格的超纯水（UPW）质量标准要求使用高质量的管道材料并严格控制水力条件，以防止生物膜的形成。本研究评估了在不同流动条件下所选UPW管道材料的迁移潜力及生物量形成潜力。结果表明，在热水条件下，新型聚偏二氟乙烯（PVDF）管道的总有机碳迁移量最高，但颗粒迁移量最低；而不锈钢（SUS）由于其更强的生物膜附着能力而带来更大的风险。此外，研究还考察了在尿素（一种常见的UPW化合物）存在下，源自UPW的细菌的生长情况，发现尿素使细菌生长速度增加了1.3至1.8倍。首次将在线流式细胞术应用于流动系统的水力测试中，从而能够实时监测不同流动状态下生物膜向浮游生物的转化过程。研究结果表明，生物膜的形成行为受到管道表面特性和运行条件的显著影响：SUS管道上的生物膜附着力更强，而PVDF管道上的生物膜虽然生长更快，但对流动条件的变化更为敏感。即使在雷诺数（Re）高达26,000的湍流条件下，仍形成了牢固附着的生物膜（占比56.2%），且当雷诺数增加到52,000时也无法完全清除。因此，了解不同流动条件下管道上的生物膜行为对于控制UPW质量至关重要。本研究强调了建立标准化生物评估方法以选择合适的UPW管道材料并优化水力条件的必要性。
引言
随着工业对超纯水（UPW）依赖程度的增加，对UPW的生产能力和质量提出了更高要求[1],[2]。UPW在半导体制造和制药等多个行业中至关重要[2],[3],[4]。其中，半导体行业对水质的标准最为严格，典型的UPW系统包括预处理、制备和抛光三个主要阶段，随后通过管道网络输送到使用点[4],[5]。在设计和建造新的UPW系统时，根据半导体设备和材料国际组织（SEMI F57）的标准[6]，选择合适的管道材料对于维持UPW质量至关重要。例如，聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚醚醚酮（PEEK）因其优异的化学纯度和耐热性，常用于抛光或热水系统（60–83°C）[5],[7]。除了塑料材料外，不锈钢（SUS）也是热水供应的常用选择。UPW输送系统中管道材料的一个关键问题是杂质的渗出[5],[8]。为解决这一问题，SEMI标准中包含了一种迁移测试方法作为管道选择的筛选步骤。根据SEMI F57标准，高温迁移测试不仅模拟了UPW热水供应系统，还通过加速迁移过程缩短了测试时间。然而，该测试主要关注特定离子的渗出，而没有考虑总纳米颗粒数的迁移情况，尽管这些颗粒可能对半导体产品造成损害[3],[5],[9]。
此外，关于UPW管道材料的生物学影响的研究较少，尤其是它们对生物膜形成的促进作用及其对水质的潜在影响。已有研究表明，高水平的有机碳迁移和粗糙的管道表面是促进生物膜生长的关键因素[5],[10]。先前的研究指出，保持高流速和湍流状态对于防止生物膜形成和保持水质至关重要[11],[12]。流速的变化会不同程度地促进生物膜的生长，导致生物膜被分为成熟型或未成熟型[11],[12],[13]。因此，了解水力动态与生物膜形成之间的关系有助于生物膜的控制。然而，据我们所知，尚未有研究探讨过不同流动条件下生物膜与管道材料表面的相互作用。因此，需要开发一种综合测试方法，以评估迁移特性、生物量形成潜力以及生物膜对不同流动条件的响应。
基于我们之前为UPW应用开发的管道测试包，我们曾在常温条件下使用批量系统进行了迁移和生物量形成潜力测试[5]。在本研究中，我们进一步评估了各种管道材料在热水条件下的总有机碳（TOC）和纳米颗粒的迁移情况，并将结果与之前的研究进行了比较。首次采用连续流动系统，并结合在线流式细胞术（FCM）对细菌数量进行了计数，以研究水力条件对不同管道材料中生物量形成的影响。FCM作为一种先进的细胞计数技术，比传统的培养方法更为可靠，后者常常低估了UPW中的细胞浓度[5],[14]。同时，我们还构建了一个试点流动系统，模拟实际运行条件，研究源自UPW的细菌在较高流速下的生物膜形成潜力。这些细菌包括能够代谢尿素的固氮菌和尿素分解菌，尿素是一种难以从UPW系统中完全清除的低分子量化合物[2],[3]。因此，也在模拟尿素污染的条件下评估了所选细菌群落的生长潜力。最后，根据不同流速条件下的去除效率，将生物膜分为松散附着和牢固附着两种类型，并比较了不同管道材料上的生物膜形成情况。
本研究的目标是：（1）评估所选UPW管道材料在热水条件下的迁移潜力；（2）利用在线流式细胞术实时监测不同水力条件下管道材料上的生物膜形成行为；（3）研究生物膜特性在不同水力条件下的变化。
部分内容摘录
迁移潜力测试
选择了四种不同的管道材料进行迁移潜力（MP）测试，包括CPVC、SUS、PVDF和PVC，直径均为32毫米。这些材料在韩国的UPW处理和输送系统中广泛使用。每段管道长度为2500毫米，并配备了定制抛光的SUS端盖以确保密封性。清洁过程遵循Duong等人（2025年）描述的协议[5]。测试在60°C下进行，以模拟实际应用条件
总有机碳和纳米颗粒的迁移潜力
在实际应用中，管道材料用于输送冷水（25°C）或热水（60–83°C）。尽管SEMI标准建议在85°C下进行TOC迁移测试，但长时间维持这种高温存在显著挑战。本研究在60°C下进行TOC迁移测试，这反映了热水循环系统的运行条件，这是热水UPW供应系统的重要组成部分（SEMI F57）。
结论
本研究评估了UPW管道的迁移潜力和生物量形成行为，以选择生物稳定的材料并确定UPW系统的最佳运行条件。结果表明，新型PVDF管道在热水中的总有机碳迁移量最高，但可通过强化清洁有效去除。本研究采用了先进的在线流式细胞术（FCM）系统来监测微生物生长动态及其对流速突然变化的响应，实现了实时监测
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究作为项目开放创新研发（OTSK_2022_030）进行，并得到了K-water的支持。
