基于ATP生物熒光法的供水系統(tǒng)生物安全評估

孫堅偉

(上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127)

飲用水水質(zhì)對人類健康至關(guān)重要，衛(wèi)生、安全的飲用水主要依賴于水源保護、凈化處理、消毒和安全輸配。世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查指出，全球88%的疾病歸咎于不安全的飲用水以及缺乏相關(guān)衛(wèi)生設(shè)施，與飲用水有關(guān)的衛(wèi)生問題大多來自微生物(細菌、病毒、原生動物或其他生物)的污染。飲用水安全問題是我國當前重要的民生問題，與居民生活和健康息息相關(guān)。經(jīng)水廠處理后的自來水雖達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2016)的各項要求，但水中仍含有微量的微生物、有機物和無機鹽等物質(zhì)進入供水管網(wǎng)。供水管網(wǎng)水中存在的微生物及有機物、氮、磷等物質(zhì)，不僅導致管網(wǎng)管壁生物膜生長，而且可能引起管材生物腐蝕、供水系統(tǒng)末梢水質(zhì)劣變，產(chǎn)生生物安全隱患[1]。隨著供水管網(wǎng)輸送距離的增加，水中菌落總數(shù)、渾濁度等隨之增加，水質(zhì)生物安全性呈明顯下降趨勢，導致水質(zhì)出現(xiàn)“二次污染”，管網(wǎng)中的消毒劑、營養(yǎng)物質(zhì)、管道材料、水力條件等與水中細菌的再生長有關(guān)，同時，這些環(huán)境因素會改變水中微生物的群落組成，從而影響水中微生物的存在水平[2]。對供水系統(tǒng)中微生物水平的準確評估是評判水質(zhì)生物安全的重點。

傳統(tǒng)的飲用水生物安全檢測方法包括菌落總數(shù)、異養(yǎng)菌平板計數(shù)(HPC)、總大腸菌群等。而隨著分子生物學的發(fā)展，基于靈敏的分子生物學檢測方法，如三磷酸腺苷(ATP)生物熒光檢測和熒光定量PCR等[3]、細胞生物學檢測方法流式細胞術(shù)(FCM)等可對水質(zhì)生物安全進行更全面的表征。各種不同的檢測方法特征如表1所示，其中ATP檢測法基于微生物以ATP的形式捕獲并儲存從食物和光源獲取的能量，ATP是微生物中的基本能量單位，可以作為水中總微生物量的指標[4]。傳統(tǒng)的HPC和細菌平板計數(shù)檢測方法只能反映水中微生物的一小部分，且需要較長的培養(yǎng)時間。由于ATP存在于所有的細胞內(nèi)，對其進行檢測可以更全面地反映水中所含活性生物性顆粒的濃度，且此方法與其他分子生物學檢測方法相比具有一定的優(yōu)勢，可以在現(xiàn)場檢測，時間只需要幾分鐘。

表1 常見的供水系統(tǒng)微生物檢測方法Tab.1 Common Microbiological Detection Methods for Water Supply Systems

ATP生物熒光法檢測供水系統(tǒng)中生物安全性的方法反映的微生物水平具有全面性好和時效性高的特點，在供水系統(tǒng)中進行水質(zhì)安全評估具有較好的應(yīng)用價值，而目前國內(nèi)較少同時采用ATP檢測方法及傳統(tǒng)培養(yǎng)法對供水系統(tǒng)進行全面評估的報道。本研究采用ATP及其他傳統(tǒng)檢測方法對上海市某片區(qū)供水系統(tǒng)生物安全進行調(diào)研，對該檢測方法的實際應(yīng)用情況進行分析和評估。

1 材料與方法

1.1 采樣點的設(shè)置

1.1.1 市政供水采樣點

選取上海某地區(qū)出廠水、管網(wǎng)市政供水及二次供水采樣點。

1.1.2 供水小區(qū)內(nèi)部取樣點

在水廠附近、管網(wǎng)中段、末梢，分別選擇供水模式為水池+變頻供水和水池+水箱供水的小區(qū)，設(shè)置小區(qū)內(nèi)部采樣點。

在水池+變頻供水小區(qū)中選擇采樣點包括泵房出水、住戶6樓龍頭(最不利點)；在水池+水箱供水小區(qū)中選擇采樣點包括多層供水小區(qū)[泵房進水、泵房出水、住戶1樓龍頭、住戶4樓龍頭(最不利點)]、高層供水小區(qū)[泵房出水、住戶2樓龍頭(最不利點)]。采樣點信息具體如表2所示。

表2 各采樣點位置Tab.2 Location of Different Sampling Points

1.2 檢測參數(shù)

ATP 生物熒光法的檢測：現(xiàn)場根據(jù)水樣污染程度將20～50 mL樣品通過針筒富集在過濾器中，再將過濾器中的目標活性顆粒萃取入測試管后加入熒光素酶試劑[哈希水質(zhì)分析儀器(上海)有限公司第二代ATP測試盒，通用型]使其發(fā)出熒光，再經(jīng)過稀釋后混合均勻并在10 s 內(nèi)讀數(shù)[4]。具體檢測過程技術(shù)規(guī)格參數(shù)如表3所示，該檢測結(jié)果減去空白萃取液的檢測結(jié)果記為樣品中ATP發(fā)光強度，根據(jù)式(1)計算出ATP的精確含量。

表3 ATP熒光檢測技術(shù)規(guī)格參數(shù)Tab.3 Technical Specifications of ATP Detection

(1)

其中：cATP——ATP檢測法得到的活性顆粒最終質(zhì)量濃度，pg/mL；

RLUcATP——實際樣品在檢測器中所顯示的發(fā)光強度；

RLUATP1——試劑盒校準液在檢測器中所顯示的發(fā)光強度；

10 000——換算常數(shù)，pg；

Vsample——樣品體積，mL。

HPC是經(jīng)過一系列具有一定營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基為基礎(chǔ)的檢測方法，檢測水樣中所包含的微生物含量，可用來描述所有需要有機物生長的細菌數(shù)量。對于飲用水中的HPC，我國采用傳統(tǒng)的較高溫度(37 ℃培養(yǎng)48 h)和富營養(yǎng)培養(yǎng)基培養(yǎng)(PCA)的菌落總數(shù)檢測方法。但對于飲用水中的一些細菌，如假單胞細菌等，該方法并不能檢測出來。目前，美國、德國等國家采用貧營養(yǎng)的R2A 培養(yǎng)基或者TSA-SB 培養(yǎng)基，同時通過降低培養(yǎng)溫度(28 ℃)、延長培養(yǎng)時間等方法檢測飲用水中的HPC。本文中采用的HPC檢測方法為平板傾注法，平板傾注后在25 ℃下培養(yǎng)7 d計數(shù)，結(jié)果以CFU/mL計，最終結(jié)果為兩組平行樣的平均值。

根據(jù)上海市地標要求確定檢測項目，水質(zhì)檢測指標包括常規(guī)指標、重金屬、微生物和感官指標、消毒副產(chǎn)物指標等。本文檢測水樣為管網(wǎng)水，具體檢測指標為渾濁度、色度、總氯、總大腸菌群、菌落總數(shù)、臭和味、大腸埃希氏菌、HPC、重金屬離子、溶解性總固體、三鹵甲烷、錳、砷、鉛、鋅等，檢測頻率為1～2次/月。本文采樣時間為2021年8月—2022年2月，共進行14次水質(zhì)檢測，水質(zhì)指標均參考《生活飲用水標準檢驗方法》相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 供水系統(tǒng)ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC檢測結(jié)果

供水系統(tǒng)不同采樣點生物安全指標情況如圖1所示。

圖1 供水系統(tǒng)生物安全指標變化Fig.1 Variation of Different Biological Safety Water Quality Indices of Water Distribution System

基于9次水質(zhì)檢測結(jié)果，對比出廠水、供水管網(wǎng)和二次供水取樣點可知，出廠水樣品ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為0.27 pg/mL、0.75 CFU/mL和7.50 CFU/mL；管網(wǎng)采樣點樣品ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為0.48 pg/mL、7.17 CFU/mL和133.75 CFU/mL；二次供水ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為1.62 pg/mL、40.28 CFU/mL和431.82 CFU/mL。盡管在供水系統(tǒng)不同月份、不同位置的采樣點總大腸菌群均未檢出，但檢測結(jié)果表明二次供水樣品中微生物含量較高，存在一定的風險。

分析沿輸水管線上4個管網(wǎng)取樣點，對比每次數(shù)據(jù)可知，微生物含量隨供水距離增加而增加，ATP含量從水廠出水到最后一個管網(wǎng)取樣點依次增高，最后一個取樣點數(shù)值明顯高于其余各點，而總氯含量從出廠到管網(wǎng)末梢逐步降低。在二次供水采樣點中，龍頭水采樣點微生物指標均高于泵房出水采樣點，由此可見，目前供水系統(tǒng)生物安全的主要風險點在于二次供水環(huán)節(jié)。研究表明，水的停留時間對水中消毒劑含量和微生物組成均會產(chǎn)生影響[6]。對比不同供水模式采樣點，工頻泵+高位水箱供水小區(qū)龍頭水較泵房出水微生物含量增長最多，在C高層小區(qū)，用戶龍頭水較泵房出水菌落總數(shù)提升138.2%，HPC提升131.1%，ATP提升158.8%。由此可見，對于工頻+水箱供水小區(qū)需通過管道材質(zhì)優(yōu)選、水齡控制等途徑降低余氯衰減，減少微生物再生長的情況。

不同季節(jié)變化如表4所示。在冬季，總氯平均含量較高，ATP、菌落總數(shù)和HPC處于全年最低水平；在夏季，總氯含量較低，余氯在管網(wǎng)中衰減較快，ATP、細菌總數(shù)和HPC含量為全年最高，因此，針對夏季生物安全風險的控制尤為重要。

表4 不同季節(jié)生物安全指標均值Tab.4 Average Concentration of Biological Safety Water Quality Indices for Different Seasons

2.2 供水系統(tǒng)不同供水模式小區(qū)生物安全指標影響因素研究

基于市政取樣點和小區(qū)不同供水單元取樣點的數(shù)據(jù)，對其中微生物指標與其他水質(zhì)指標的相關(guān)性進行分析，如表5所示。

表5 水質(zhì)檢測指標相關(guān)性Tab.5 Correlation of Different Water Quality Indices

ATP與總氯顯著負相關(guān)(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(guān)(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數(shù)顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負相關(guān)(R=-0.270,P<0.05)，和溫度顯著正相關(guān)(R=0.322,P<0.05)；菌落總數(shù)和HPC顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.268,P<0.05)；總氯與溫度顯著負相關(guān)(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數(shù)、HPC等相關(guān)性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關(guān)性較好，能較好地反映水中微生物指標情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP和HPC均與總氯顯著負相關(guān)，與溫度正相關(guān)，因此，在夏季需保持用戶終端的總氯含量以保障供水生物安全。

對比各類型采樣點位置的數(shù)據(jù)，管網(wǎng)采樣點中，就總氯含量而言，水廠總氯質(zhì)量濃度控制在0.78～1.12 mg/L，夏季(8月—9月)比冬季(10月—次年2月)略高；在離水廠最近的2號市政采樣點中總氯質(zhì)量濃度略有下降，為0.78～0.90 mg/L；管網(wǎng)水流經(jīng)B、C、D小區(qū)到達供水末梢4號市政采樣點時總氯質(zhì)量濃度沒有明顯下降，為0.67～0.90 mg/L。各點總氯呈現(xiàn)夏天比冬天略低的現(xiàn)象，說明夏天管網(wǎng)氯消耗略高，但從直供點末端總氯值而言，出廠水的氯控制濃度足夠。就ATP含量而言，水廠出水最大質(zhì)量濃度為0.63 pg/mL, 而市政采樣點的ATP質(zhì)量濃度均小于0.78 pg/mL，各管網(wǎng)采樣點呈現(xiàn)夏天比冬天高的現(xiàn)象。

二次供水(泵房出水，用戶龍頭)的ATP含量都呈現(xiàn)夏天比冬天高的現(xiàn)象，而且數(shù)值上比上一直供管網(wǎng)點高，這與之前傳統(tǒng)培養(yǎng)法得到的研究結(jié)論相一致[7]?？偮戎党霈F(xiàn)夏季比冬天略低的現(xiàn)象，這說明在管網(wǎng)和二次供水設(shè)施內(nèi)，夏天總氯消耗得多，而微生物的繁殖略顯旺盛。C小區(qū)的2樓采樣點中，ATP的含量比大多數(shù)管網(wǎng)點高(9個點中有5個質(zhì)量濃度超出0.70 pg/mL)，且和總氯值出現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化(從8月—次年2月，ATP逐步降低，總氯逐步增加)，而且和HPC、菌落總數(shù)的趨勢一致(8月—9月HPC和菌落總數(shù)也比較高)。ATP的檢測快速、準確地發(fā)現(xiàn)了這一取樣點的水質(zhì)問題。

2.3 基于ATP檢測的供水系統(tǒng)生物安全指標限值研究

針對9次檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，取菌落總數(shù)、HPC或渾濁度符合本地限值的樣品的ATP結(jié)果值，用Grubbs檢驗去掉離群值，用剩下數(shù)據(jù)的平均值+3倍標準偏差估計基準值，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 ATP生物安全限值分析Tab.6 Analysis of ATP Biological Safety Limits

通過篩選滿足HPC及菌落總數(shù)地方標準限值對應(yīng)的ATP基準值，建議取該值來評估管網(wǎng)水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即當ATP質(zhì)量濃度小于1.30 pg/mL或1.80 pg/mL時，分別對應(yīng)HPC和菌落總數(shù)達到上海市地方標準《生活飲用水水質(zhì)標準》(DB 31/T 1091—2018)。這個ATP基準值與ATP設(shè)備供應(yīng)商提供的建議限值(生物安全為小于1.0 pg/mL，不安全為大于10 pg/mL)較為接近，因此，初步判斷ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL可作為ATP檢測生物安全控制限值。

從ATP檢測結(jié)果看，二次供水的水質(zhì)隨著小區(qū)管線水流方向變差，夏季尤其明顯。比如，A小區(qū)泵房水泵出水夏季ATP質(zhì)量濃度為0.40～0.96 pg/mL，用戶龍頭水中為1.01～1.73 pg/mL；C小區(qū)和D小區(qū)更為明顯，用戶龍頭水中ATP質(zhì)量濃度達到2.53～17.67 pg/mL。在夏季，供水管網(wǎng)及泵房水泵出水能滿足生物安全的要求，但在用戶龍頭水存在一定的生物安全風險，需對二次供水系統(tǒng)的生物安全保障技術(shù)進行研究，提升水質(zhì)安全保障能力。根據(jù)2.2小節(jié)相關(guān)性研究結(jié)果，總氯與生物安全指標顯著負相關(guān)，因此，可以通過保障龍頭水的總氯含量，保障生物安全?；贏TP限值倒推所需的總氯含量，將ATP質(zhì)量濃度低于1.3 pg/mL時對應(yīng)的總氯數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，將最高總氯含量確認為總氯的控制值，結(jié)果表明當總氯質(zhì)量濃度高于0.28 mg/L時，可以滿足ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL，保障生物安全。因此，想實現(xiàn)用戶龍頭水水質(zhì)的持續(xù)安全穩(wěn)定，需要對整個供水流程中出現(xiàn)的風險點進行評估，從每個環(huán)節(jié)上分析可能存在的問題[8-9]，如二次供水系統(tǒng)中管道和水池(箱)材質(zhì)表面生物膜的生長、較長的停留時間導致的消毒劑衰減等，減少出廠之后被二次污染的可能性，基于更多時效性強的監(jiān)測指標，快速反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)可能存在的問題，從而持續(xù)穩(wěn)定保障用戶優(yōu)質(zhì)飲水。

3 結(jié)論與展望

目前，供水片區(qū)的主要水質(zhì)安全風險點為生物安全指標(ATP、菌落總數(shù)和HPC)，微生物指標受季節(jié)影響較大，夏季在居民龍頭水處可能存在一定風險。

生物安全指標與其他水質(zhì)指標的相關(guān)性研究結(jié)果表明：ATP與總氯顯著負相關(guān)(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(guān)(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數(shù)顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負相關(guān)(R=-0.270,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.322,P<0.05)；總氯與溫度顯著負相關(guān)(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數(shù)、HPC等相關(guān)性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關(guān)性較好，能較好地反映水中微生物指標情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP、HPC和菌落總數(shù)均與總氯顯著負相關(guān)，與溫度正相關(guān)，因此，在夏季需保持用戶終端的總氯含量以保障供水生物安全。

通過篩選滿足HPC及菌落總數(shù)地方標準限值對應(yīng)的ATP基準值，建議取該值來評估管網(wǎng)水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL可初步判斷作為ATP檢測生物安全控制限值。基于ATP限值倒推所需的總氯含量，當總氯質(zhì)量濃度高于0.28 mg/L時，可以滿足ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL，保障生物安全。

ATP生物熒光檢測方法具有檢測效率高、能全面反映水體中生物量的特點，在供水系統(tǒng)中應(yīng)對突發(fā)水質(zhì)事件的過程中有很多可以嘗試的應(yīng)用場景。例如在水廠臭氧生物活性炭工藝后，能通過ATP檢測及時確認活性炭生物泄露情況；在二次供水泵房后，通過ATP檢測能及時反應(yīng)二供系統(tǒng)的生物安全問題；在管道沖洗消毒后，通過ATP檢測能及時反應(yīng)沖洗消毒效果等。后續(xù)可以對該檢測方法進一步進行推廣研究。