從耐氯菌談未來供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障技術(shù)發(fā)展趨勢

鐘 丹

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

供水管網(wǎng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市水系統(tǒng)的重要組成部分。截至2019年，我國城鎮(zhèn)供水管道長度已逾190萬km。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國約1/3以上的供水管網(wǎng)存在老舊失修、超期服役、材質(zhì)落后、漏失、水質(zhì)下降等問題。在我國城鎮(zhèn)化進程高速推進和人民健康優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略深入實施的背景下，持續(xù)開展供水管網(wǎng)相關(guān)研究工作，進一步發(fā)展其理論與技術(shù)對于保障城市供水安全具有十分重要的意義。

供水管網(wǎng)安全保障目標包括水量、水壓、水質(zhì)與技術(shù)經(jīng)濟等。目前的供水管網(wǎng)安全保障技術(shù)主要為：(1)改善供水管道衛(wèi)生狀況；(2)通過管網(wǎng)建模對供水管網(wǎng)壓力與水質(zhì)進行管理；(3)區(qū)塊化管理；(4)供水管網(wǎng)漏損控制；(5)加強運行管理。

1 供水管網(wǎng)中的耐氯菌

供水管網(wǎng)通常要確保一定的剩余消毒劑濃度來保障管網(wǎng)水質(zhì)安全，但管網(wǎng)中的部分細菌對于氯消毒劑具有天然的抗性，即常規(guī)消毒條件下無法滅活此類細菌，人們將這類細菌定義為“耐氯菌”。

1.1 供水管網(wǎng)中耐氯菌生物多樣性分布規(guī)律

對從北方某實際管網(wǎng)中分離出的細菌研究發(fā)現(xiàn)，供水管網(wǎng)中常見的耐氯菌種類很多，包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動桿菌屬、鞘脂菌屬、鞘脂單胞菌、葡萄球菌屬、分歧桿菌屬、弗朗西斯菌屬、甲基桿菌屬、莫拉克斯氏菌屬等，其中，不乏對人類健康具有潛在風(fēng)險的致病菌。隨著輸水距離的增加，管網(wǎng)中的微生物種類也相應(yīng)增加，供水管網(wǎng)的種群多樣性增加。管壁生物膜中的微生物種群多樣性大于主體水中微生物種群多樣性。清水池、管網(wǎng)中間與管網(wǎng)末梢處都出現(xiàn)了少動鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、德氏食酸菌屬(Acidovorax)，說明其應(yīng)當(dāng)具有一定耐氯性且在供水管網(wǎng)中適應(yīng)性強、存在廣泛。因此，耐氯菌的控制是供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障的核心問題之一。

研究發(fā)現(xiàn)，距離加氯點越遠，管網(wǎng)中水的停留時間越長，管網(wǎng)中微生物種類和數(shù)量越多，生物膜中微生物的數(shù)量明顯高于主體水中微生物數(shù)量。鞘脂單胞菌屬既存在于主體水中又存在于管壁生物膜中，為管網(wǎng)中段處的優(yōu)勢菌；管網(wǎng)末梢處的優(yōu)勢菌為假單胞菌屬和紫色桿菌屬。另外，供水管網(wǎng)中耐氯菌生物多樣性大小為管網(wǎng)末梢>管網(wǎng)中途>管網(wǎng)始端，管網(wǎng)始端與中途耐氯菌的群落結(jié)構(gòu)組成相差不大，但兩處和末梢處的耐氯菌細菌群落結(jié)構(gòu)組成存在較大差異[1]。

通過在實驗室自制管道模擬裝置，從管材、余氯濃度、菌落形態(tài)、細菌形狀以及細菌種類等方面對分離出的耐氯菌的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)PE管中耐氯菌的數(shù)目較少，鑄鐵以及不銹鋼管中分離的耐氯菌數(shù)目較多。

(2)革蘭氏陰性菌是各套裝置生物膜中的主要組成菌種，主要原因可能與細菌的黏附能力有關(guān)，革蘭氏陽性菌雖然有一層能夠抵御余氯侵害的厚實的細胞壁，但是其黏附能力較差，不易黏附在管壁上生長。

(3)供水管網(wǎng)管壁生物膜中分離到的大部分是桿菌，桿菌長度大多不超過1 μm，只有極少量桿菌長度在1 μm以上，球菌體積直徑不超過0.5 μm。供水管網(wǎng)為寡營養(yǎng)環(huán)境，超微細菌(直徑小于0.3 μm)在這種環(huán)境中占有優(yōu)勢地位。

(4)3種管材分離到的細菌菌屬差別很大，僅有鞘脂單胞菌屬同時出現(xiàn)在3種管材中，鞘脂單胞菌屬已經(jīng)證明具有很強的耐氯性能，能夠在4 mg/L的余氯質(zhì)量濃度下存活240 min，而滅活率僅有5%。

1.2 基于管道生長環(huán)構(gòu)建催化氧化體系控制耐氯菌

供水管網(wǎng)作為一個復(fù)雜的、龐大的供水體系，隨著運行年份的增加，管網(wǎng)內(nèi)壁附著厚厚的生長環(huán)，同時進行著物理、化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，所以供水管網(wǎng)中的生長環(huán)是一個重要的信息傳播通道，也是耐氯菌與鹵代有機污染物初級賦存的重要場所，如圖1所示。以生長環(huán)內(nèi)原生Fe、Mn礦物為催化劑，構(gòu)建供水管網(wǎng)“原位類Fenton催化氧化體系”、“雙金屬雙氧化體系”，降解有機污染物，控制生物膜上耐氯菌滋生。

2 供水管網(wǎng)中的抗生素污染風(fēng)險

近年來，大量抗生素施用造成天然水體中抗生素濃度累積，傳統(tǒng)的水處理工藝不能將其完全去除，殘余抗生素進入供水管網(wǎng)，已有資料表明，供水管網(wǎng)中有多種抗生素被檢出。隨著細菌對抗生素產(chǎn)生耐藥性分子機制研究的不斷深入，已有研究者開始關(guān)注抗生素與供水管網(wǎng)生物膜發(fā)生交互作用，進而引發(fā)菌體耐藥性的問題。而在抗生素的選擇壓力下，管網(wǎng)耐氯菌是否兼具耐藥性、耐藥性疊加作用是否會強化菌體耐氯性等新的問題逐漸凸顯，而在這方面的研究尚未見報道。

2.1 耐氯菌對抗生素的耐受性

選擇供水管網(wǎng)中常見耐氯菌：枯草芽孢桿菌和鞘氨醇單胞桿菌作為研究對象，探究管網(wǎng)中典型耐氯菌對抗生素的耐受性。通過qPCR等技術(shù)手段，確定抗生素抗性基因的豐度變化情況；通過耐氯菌細胞膜疏水性、脂肪酸含量、生長曲線及其對氯消毒劑抗性等情況的測定和分析，探究抗生素對耐氯菌結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，抗生素對耐氯菌的生長具有顯著影響：抗生素的存在使枯草芽孢桿菌更快地進入對數(shù)增長期，當(dāng)馴化后的細菌仍處在對數(shù)增長期時，未經(jīng)馴化的細菌已經(jīng)進入穩(wěn)定期和衰亡期[2]?？梢?，抗生素的存在會增強耐氯菌對氯消毒劑的抗性，增強細菌生長代謝能力。

兩種細菌對其中某些抗生素具有天然的抗性，鞘氨醇單胞菌對青霉素、頭孢氨芐、頭孢唑林、頭孢呋辛、紅霉素具有耐藥性；枯草芽孢桿菌對青霉素抗性最強，對于頭孢呋辛和哌拉西林抗性中等，對于其他種類抗生素沒有抗性。與枯草芽孢桿菌相比，鞘氨醇單胞菌作為供水管網(wǎng)中更常見的耐氯菌，其對消毒劑的抗性機制可能與其對抗生素產(chǎn)生耐藥性也有很大關(guān)系，故其所產(chǎn)生抗性的抗生素種類多于枯草芽孢桿菌。

已有研究表明，如果微生物對氯消毒劑的抗性強，那么相應(yīng)地它對抗生素的抗性能力也強，在低濃度的氯消毒劑壓力下，微生物之間進行可移動基因元件轉(zhuǎn)移的頻率會有所增加。此外，報道指出抗性細菌經(jīng)過供水管網(wǎng)的運輸，恢復(fù)了多重耐藥能力，原因是供水管網(wǎng)內(nèi)壁的生物膜促進了耐藥基因在細菌間的水平轉(zhuǎn)移，從而在一定程度上恢復(fù)了耐藥細菌的多重耐藥能力。后續(xù)研究可以考慮供水管網(wǎng)體系中余氯的存在對于耐氯菌的多重耐藥性的影響。

通過對兩種細菌隨消毒時間的存活率進行擬合，得到鞘氨醇單胞菌和枯草芽孢桿菌的去除曲線的動力學(xué)模擬曲線，兩株菌的去除反應(yīng)均符合二級指數(shù)方程，如式(1)。

y=A1×exp(-x/t1)+A2×exp(-x/t2)+y0

(1)

從鞘氨醇單胞桿菌和枯草芽孢桿菌的去除曲線來看，都是隨著時間的增加，曲線呈下降趨勢。但隨著消毒時間的增加，菌體被進一步滅活，鞘氨醇單胞桿菌的滅活速率有所下降，滅活曲線變得平緩；而枯草芽孢桿菌滅活速率下降的幅度較大。在10 min的消毒時間內(nèi)，雖然鞘氨醇單胞桿菌所受消毒劑質(zhì)量濃度為2 mg/L，低于枯草芽孢桿菌所受的消毒劑濃度，但其滅活率約為2.18log，高于枯草芽孢桿菌的0.94log的滅活率[3]。說明鞘氨醇單胞桿菌更易被滅活，究其原因，可能與兩種細菌所受抗生素濃度不同有關(guān)，鞘氨醇單胞桿菌所在的抗生素濃度遠遠低于枯草芽孢桿菌，所以枯草芽孢桿菌更耐抗生素，這也可能增加其對消毒劑的耐受性，使其更難被滅活。

2.2 抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移

團隊還研究了抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移，將未經(jīng)馴化的枯草芽孢桿菌和低濃度抗生素馴化的鞘氨醇單胞菌混合培養(yǎng)，將未經(jīng)馴化的鞘氨醇單胞菌和高濃度抗生素馴化的枯草芽孢桿菌混合培養(yǎng)。篩選分離后，得到純枯草芽孢桿菌和鞘氨醇單胞菌菌液，分別進行藥敏試驗。

試驗結(jié)果充分顯示，細菌對抗生素的抗性可以在不同種類細菌之間水平轉(zhuǎn)移，即如果某種細菌攜帶抗性基因，那么在細菌的代謝過程中，該抗生素抗性基因可以游離出細菌體外，通過外排泵等途徑進入其他細菌體內(nèi)，實現(xiàn)抗生素抗性基因的水平轉(zhuǎn)移，非抗性的病原菌可能會變成抗性細菌?？梢姡股氐拇嬖谑鼓吐染哂修D(zhuǎn)變?yōu)槟退幘娘L(fēng)險，且這種耐藥性可以在不同種類的耐氯菌之間轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)論

初步研究表明，供水管網(wǎng)始端與中途耐氯菌的群落結(jié)構(gòu)組成相差不大，但末梢處的耐氯菌群落結(jié)構(gòu)組成存在較大差異。在抗生素的存在下，有些耐氯菌對抗生素具有耐藥性，耐藥性可以在不同的耐氯菌之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致原本非耐藥的耐氯致病菌呈現(xiàn)出耐藥性，最終導(dǎo)致耐氯致病菌對抗生素產(chǎn)生耐藥性，對人類的健康具有潛在風(fēng)險。

4 展望

由于供水管網(wǎng)內(nèi)的環(huán)境有利于細菌進入活的但非可培養(yǎng)(VBNC)狀態(tài)，此時細菌失去致病力，但復(fù)蘇后會重新獲得致病力，因此，供水管網(wǎng)中VBNC狀態(tài)下的耐氯菌對抗生素的耐藥性狀況及相關(guān)抗性基因轉(zhuǎn)移機理仍有待深入探討。為了保障供水管網(wǎng)水質(zhì)安全，降低耐氯菌耐藥性轉(zhuǎn)移風(fēng)險，也可考慮如下技術(shù)手段。

(1)對出廠水中BDOC等關(guān)鍵水質(zhì)指標進行控制，在供水管網(wǎng)前端進行源頭控制。

(2)采用新型消毒劑或聯(lián)合消毒等方式，優(yōu)化現(xiàn)有消毒方式。細菌自身特點對耐氯性有很大影響，所以有針對性地選擇消毒劑種類、二次消毒方式、二次消毒劑投加點，是有效保障管網(wǎng)輸送過程中水質(zhì)安全的重要方法，在供水管網(wǎng)輸送飲用水過程中對細菌進行抑制。

(3)采用末端水質(zhì)提升技術(shù)，在用戶端進行控制，在供水管網(wǎng)末端對抗生素耐藥風(fēng)險進行削減。