景觀河道病原微生物污染來源與分布特征

徐曉璇, 康麗娟, 葉建鋒, 焦 正, 浦嫻娟

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444;2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海200233)

病原微生物是我國(guó)水體污染的主要污染物之一[1].據(jù)調(diào)查,糞大腸菌群的含量在我國(guó)地表水體中普遍偏高,部分水域中的菌群含量甚至超過我國(guó)V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)萬倍[2].近年來,有關(guān)景觀水體中病原微生物的報(bào)道逐漸增多[3-4].唐偉等[5]通過對(duì)渾河(撫順段)水質(zhì)糞大腸菌群污染現(xiàn)狀的研究,發(fā)現(xiàn)整個(gè)渾河(撫順段)糞大腸菌群嚴(yán)重超標(biāo),超過標(biāo)準(zhǔn)值的100倍以上,而這些糞大腸菌群主要來源于生活污水.王利榮等[6]對(duì)黃河蘭州段糞大腸菌群污染的研究發(fā)現(xiàn),該河段糞大腸菌群污染嚴(yán)重,最高超過標(biāo)準(zhǔn)值的100倍,超標(biāo)率是其他主要污染項(xiàng)目的幾十倍.《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中規(guī)定:指示微生物總大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)量應(yīng)分別小于等于1.0×104和2.0×103個(gè)/L.景觀水體中的病原微生物能夠通過直接接觸、空氣擴(kuò)散等途徑傳播,引起人類疾病的爆發(fā),威脅人體健康[7-10].因此,了解景觀河道病原微生物的污染情況及其來源,明確景觀河道中病原微生物的分布具有重要意義.

由于水中病原微生物種類繁多、生物量少、檢測(cè)繁瑣,因此往往通過檢測(cè)指示微生物來評(píng)估水體病原菌的污染狀況[11-12].陳勝藍(lán)等[13]等通過研究發(fā)現(xiàn),指示微生物在一定程度上可以反映水體中病原微生物的存在情況,其監(jiān)測(cè)結(jié)果可以作為病原微生物污染狀況的一個(gè)初步表征.在現(xiàn)階段,糞大腸菌群和大腸菌群等常規(guī)指示微生物是研究和評(píng)價(jià)景觀水體環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)生物指標(biāo),也是流行病學(xué)、衛(wèi)生學(xué)上公認(rèn)的指標(biāo)和主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[14-16].因此,選取糞大腸菌群和大腸菌群為主要污染指標(biāo)探究景觀河道污染,有助于更好地分析景觀水體中病原微生物的分布情況以及污染來源.

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本研究選取上海中心城區(qū)空間臨近、水質(zhì)差異較大的3條河道為研究對(duì)象:河道1水質(zhì)較差,有1個(gè)雨水泵站;河道2與河道1平行,直線距離2 700 m,水質(zhì)較好;河道3為公園內(nèi)部河流,與外界不連通,與河道1和河道2直線距離1 200 m左右.3條河道均無直接入河點(diǎn)源,地面徑流為3條河道主要的外源污染來源.河道1有地表徑流由泵站集中排放,故沿泵站排放口混合區(qū)、上下游500 m各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).河道2和河道3選取河道中游設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及河道常規(guī)水流方向如圖1所示.

1.2 樣品采集與測(cè)定

樣品采集于2017年8月.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)取表層水樣裝入預(yù)先經(jīng)高壓滅菌處理的帶蓋離心管中,4°C保存至實(shí)驗(yàn)室待測(cè).

利用糞大腸菌群測(cè)試片測(cè)試水樣中糞大腸菌群數(shù)量.充分搖動(dòng)采樣瓶,取樣品于滅菌離心管(或其他帶蓋滅菌容器),使用移液槍和滅菌槍頭吸取9 mL無菌水于15 mL無菌離心管中,再加入1 mL水樣,充分震蕩(上下劇烈搖動(dòng)離心管約25次,避免懸浮物分布不均勻,上下濃度不同).同理,依次稀釋至100倍、1 000倍.先充分震蕩(同上),取700μL稀釋液,涂布于MPN紙片上(一個(gè)濃度涂5片,一條河道共15片),紙片充分浸潤(rùn)吸收水樣,用手輕輕壓平,在44.5±0.5°C恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18～24 h,統(tǒng)計(jì)10倍、100倍、1 000倍稀釋后的陽性樣品倍數(shù),根據(jù)說明書確定MPN數(shù).利用大腸菌群測(cè)試片測(cè)定水樣中大腸菌群數(shù)量.掀起薄膜,取1 mL稀釋樣品(稀釋方法同糞大腸菌群)接種于紙片中央.待水樣被充分吸收后,蓋上塑料膜,可輕輕按壓,保證水樣完全吸收均勻.接種完畢后放入37°C恒溫培養(yǎng)24 h.

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of the monitoring sites

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 病原微生物的分布情況

5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群分布情況如圖2所示.經(jīng)檢測(cè),5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群平均濃度均是雨天明顯高于晴天.在0 h,監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的糞大腸菌群濃度高于同時(shí)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,D和E;降雨活動(dòng)結(jié)束24 h后,5個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的糞大腸菌群濃度都出現(xiàn)了一定程度的降低,監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的變化最明顯.在下一次降雨活動(dòng)(即第9天)開始前,除監(jiān)測(cè)點(diǎn)C出現(xiàn)糞大腸菌群濃度升高外,其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群濃度整體變化較小.監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處在泵站排放口下游,可能存在降雨徑流直接排入河道的現(xiàn)象.這可能是監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的糞大腸菌群濃度突然升高的原因.第二次降雨時(shí),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群濃度出現(xiàn)升高,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的變化最明顯.降雨停止后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)再次出現(xiàn)糞大腸菌群濃度降低的現(xiàn)象.可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi),降雨會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)糞大腸菌群濃度增加,雨停后則濃度降低.

5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大腸菌群分布情況如圖3所示.監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的大腸菌群濃度變化范圍在600～2.0×103CFU/mL之間,平均濃度為1.6×103CFU/mL.監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C在采樣期間的大腸菌群濃度范圍變化非常大,分別為500～1.4×105和800～1.4×105CFU/mL,最高和最低濃度之間相差3個(gè)數(shù)量級(jí).監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的大腸菌群濃度在30～550 CFU/mL之間,平均濃度為119 CFU/mL.監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的大腸菌群濃度在70～140 CFU/mL之間,平均濃度為113 CFU/mL.雨天時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)A～E的大腸菌群平均濃度分別為2.8×103,1.0×105,9.5×104,247和133 CFU/mL,明顯高于采樣期的平均濃度.第一次降雨活動(dòng)結(jié)束后,大腸菌群濃度出現(xiàn)降低.雨后24 h,監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,B和C的濃度下降到前一天的50%左右;監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的濃度下降到前一天的30%左右;監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的濃度降低最少.在下一次降雨活動(dòng)(即第9天)開始前,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度整體變化較小.與晴天相比,第二次降雨時(shí)的大腸菌群濃度出現(xiàn)明顯增加.雨停后則濃度降低.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的大腸菌群濃度變化趨勢(shì)類似,整體呈現(xiàn)雨后降低,無降雨時(shí)維持穩(wěn)定,雨天增加的趨勢(shì).

圖2 景觀河道的糞大腸菌群分布情況Fig.2 Distributions of fecal coliforms at landscape rivers

圖3景觀河道的大腸菌群分布情況Fig.3 Distributions of coliforms at landscape rivers

2.2 不同時(shí)段河道病原微生物的含量

圖4 為不同天氣條件下河道內(nèi)糞大腸菌群的濃度分布.在晴天,監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的糞大腸菌群濃度無顯著差異,都在1×105MPN/100 mL以上,而其上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的濃度僅為監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的25%(即3×104MPN/100 mL).同時(shí)期,與河道1無直接關(guān)聯(lián)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和E的濃度均低于河道1,為1.8×104MPN/100 mL,與河道1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí).當(dāng)發(fā)生降雨活動(dòng)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的糞大腸菌群濃度大幅增加近2倍;監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,D和E的糞大腸菌群濃度雖有一定程度的增加,但增幅相對(duì)較小.當(dāng)河道1的雨水泵站放江時(shí),泵站排放口附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的糞大腸菌群濃度比雨天時(shí)增加近1倍;而監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的濃度比雨天時(shí)增加2倍多,高達(dá)5×105MPN/100 mL.泵站排放口上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的糞大腸菌群濃度為7.7×104MPN/100 mL,低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B及其下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)C.監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和E所處河道沒有泵站,相同時(shí)段,糞大腸菌群濃度沒有明顯變化.

圖5為不同天氣條件下河道內(nèi)大腸菌群的濃度分布.在晴天,監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,B和C的大腸菌群濃度無顯著差異,都在800～1 000 CFU/mL.同時(shí)期,與河道1無直接關(guān)聯(lián)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和E的濃度均低于河道1,都在100 CFU/mL以下,與河道1監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí).當(dāng)發(fā)生降雨活動(dòng)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的大腸菌群濃度大幅增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)B增加60多倍,監(jiān)測(cè)點(diǎn)C增加90倍.監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,D和E的大腸菌群濃度雖有一定程度增加,但增幅相對(duì)較小.當(dāng)河道1的雨水泵站放江時(shí),泵站排放口附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的大腸菌群濃度比雨天時(shí)增加近1倍,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的濃度比雨天時(shí)增加1倍多,高達(dá)1.4×106CFU/mL.泵站排放口上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的大腸菌群濃度達(dá)到8.5×103CFU/mL,低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B及其下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)C.監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和E所處河道沒有泵站,相同時(shí)段,大腸菌群濃度沒有明顯變化.

圖4 不同天氣條件下景觀河道的糞大腸菌群濃度分布Fig.4 Fecal coliforms at each sampling site under diあerent weather

圖5 不同天氣條件下景觀河道的大腸菌群濃度分布Fig.5 Coliforms at each sampling site under diあerent weather

3 討論與分析

3.1 病原微生物分布

環(huán)境水體中微生物的分布情況與各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的周邊環(huán)境和水質(zhì)狀況等因素密切相關(guān).本研究結(jié)果表明,3條河道均受到糞大腸菌群污染,但受污染程度不同,其中河道1晴天糞大腸菌群平均濃度為1.31×105MPN/100 mL,雨天為2.49×105MPN/100 mL,而河道2和河道3晴天與雨天糞大腸菌群平均濃度均保持在104MPN/100 mL,說明河道1污染最嚴(yán)重.河道1沿岸存在雨水泵站,雨水經(jīng)泵站集中強(qiáng)排至河道,故降雨后河道污染物濃度大幅增加,微生物大量滋生,水體污染嚴(yán)重[17].河道3為公園水體.公園水體通常面積小,多為半封閉型或封閉型的靜態(tài)水體,與外界大面域水體連通較少,受污水排放影響也較小.河道2沿岸無雨水泵站,徑流排放方式相對(duì)緩和,降雨后河道2的污染物濃度增幅較小,糞大腸菌群濃度介于河道1和河道3之間.

非雨天,河道1的糞大腸菌群可達(dá)2.2×105MPN/100 mL,在數(shù)量上與渭河及其支流[18],以及珠江水系廣州河段[19]類似,明顯高于湖泊和四大海域[20-22].河道2和河道3在雨天的糞大腸菌群為6.2×104和2.3×104MPN/100 mL,與長(zhǎng)江水系宜賓段[23]類似.根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定,糞大腸菌群評(píng)價(jià)的V類標(biāo)準(zhǔn)限是小于等于4×104個(gè)/L為合格.因此在夏季采樣期間,5個(gè)采監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群濃度均超過4×104個(gè)/L,水質(zhì)超標(biāo)率為100%.

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006),每1 L水中的大腸菌群不超過3個(gè),而《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2202)僅規(guī)定了糞大腸菌群濃度限值.河道2和河道3在非雨天的大腸菌群數(shù)量較低,分別為29和98 CFU/mL,雨天時(shí)為550 CFU/mL,雨后降低,基本上可滿足直接接觸娛樂用水水質(zhì)需求.而河道1的大腸菌群在非雨天時(shí)平均為3.6×103CFU/mL,雨天時(shí)最高可達(dá)到1.4×105CFU/mL,大大超過了景觀娛樂用水的水質(zhì)需求.

大腸菌群和糞大腸菌群的高低與糞便污染的程度有關(guān).在監(jiān)測(cè)點(diǎn)中均檢出大腸菌群和糞大腸菌群,說明水體受到糞便污染.糞便中除一些正常細(xì)菌外也可能同時(shí)存在某些腸道致病菌.因此,當(dāng)水體受到大腸菌群和糞大腸菌群污染時(shí)就存在被腸道致病菌污染的可能性,對(duì)人類的健康產(chǎn)生一定的潛在威脅.

3.2 病原微生物污染源分析

研究結(jié)果表明,降雨會(huì)使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的糞大腸菌群和大腸菌群濃度增加,但降雨并不是這兩種病原微生物的唯一來源.城市地表徑流[24]、雨水泵站、生活污水排放等都是病原微生物污染的主要來源.江磊等[2]發(fā)現(xiàn)?？谀吃?chǎng)某日糞大腸菌群檢出量與當(dāng)日降雨量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系.河道1的糞大腸菌群濃度在泵站放江時(shí)也增加明顯,達(dá)到5×105MPN/100 mL,與長(zhǎng)江水系重慶市城區(qū)排污口濃度相似[25].而無雨水泵站的河道2和河道3較雨天無明顯增加,這說明對(duì)河道1,糞大腸菌群污染的主要來源是城市降雨和泵站放江.河道2和3在雨天的糞大腸菌群濃度較晴天有所增加,說明城市降雨是此河道糞大腸菌群污染的主要來源.降雨是地表水體病原微生物的重要來源.除雨水中含有病原微生物外,在雨水的淋洗和沖刷作用下,城市大氣中和地表上累積的污染物伴隨著徑流,經(jīng)由排水系統(tǒng)參與收集、輸送和處理,通過多種匯集、遷移和排放方式最終進(jìn)入水體,造成水體污染,導(dǎo)致水體中病原微生物濃度的升高.大腸菌群也有相似特征,但變化比糞大腸菌群更明顯.降雨使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度較晴天時(shí)增加,泵站放江使河道1的大腸菌群濃度增加明顯,而無雨水泵站的河道2和河道3的濃度較雨天無明顯增加.這說明對(duì)河道1而言,大腸菌群污染的主要來源包括城市降雨和泵站放江.河道2和3在雨天的大腸菌群濃度較晴天有所增加,說明城市降雨是此河段大腸菌群污染的主要來源.

4 結(jié)論

(1)景觀河道受到了較為嚴(yán)重的病原微生物污染,糞大腸菌群和大腸菌群濃度整體分布為河道1>河道2>河道3.5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)糞大腸菌群濃度均超出《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對(duì)景觀用水的水質(zhì)要求,超標(biāo)率為100%.河道1的大腸菌群超過景觀娛樂用水水質(zhì)需求.

(2)降雨能夠?qū)е潞拥啦≡⑸餄舛仍龈?雨后糞大腸菌群和大腸菌群濃度降低.在沒有降雨時(shí),河道病原微生物濃度基本穩(wěn)定.

(3)降雨是景觀河道病原微生物的主要來源,而泵站放江加劇了降雨對(duì)受納河道的沖擊負(fù)荷.