建筑供水管道材料對水化學(xué)性質(zhì)、微生物群落和條件致病菌的交互影響機制研究進(jìn)展

張 悅,胡宇星,周 爽,芮 旻,趙建夫,王 虹,*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院,上海 200092;3.上海市政工程設(shè)計研究總院<集團(tuán)>有限公司,上海 200092)

建筑供水管網(wǎng)是配水系統(tǒng)的“最后一公里”。建筑供水管網(wǎng)具有水停滯時間長、溫度相對較高和消毒劑濃度低等特點[1],為微生物生長提供了良好的條件。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50015—2019),建筑供水管網(wǎng)材料主要包括金屬管材(如不銹鋼、銅)和塑料管材[如無規(guī)共聚聚丙烯(PPR)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)等]。塑料管材成本低,易于切割安裝,使用占比較高。銅管具有抗菌性,在國外的建筑物管網(wǎng)中常見,國內(nèi)目前主要在機場、別墅等場景中有所應(yīng)用。不銹鋼管耐腐蝕、金屬離子浸出量少,但造價高,隨著高品質(zhì)供水的普及,不銹鋼管正成為新住宅用戶的首選管材,未來將呈現(xiàn)較大增長趨勢。建筑供水管道材料可通過浸出有機物和金屬離子、與消毒劑反應(yīng)[2]等方式影響水化學(xué)性質(zhì),直接(管材表面粗糙度、化學(xué)活性等)或間接(在水化學(xué)性質(zhì)的作用下)地影響飲用水微生物載量和群落結(jié)構(gòu),甚至影響病原體定殖。

近年來,一類新型飲用水條件致病微生物(opportunistic pathogens,OPs)引起了國內(nèi)外社會的關(guān)注。常見的OPs包括嗜肺軍團(tuán)菌、非結(jié)核分枝桿菌、銅綠假單胞菌等原核微生物,以及棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等真核微生物。它們具有較強的消毒劑抗性,耐熱(可在>60 ℃的熱水中存活),適應(yīng)寡營養(yǎng)水環(huán)境,具有在建筑供水管網(wǎng)中大量繁殖的潛勢[3]。OPs可以通過呼吸吸入、皮膚接觸等方式侵入人體,對老齡、免疫系統(tǒng)受損等易感人群構(gòu)成嚴(yán)重的健康威脅[4]。本文綜述了建筑供水管道材料對水化學(xué)性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,著重分析管材通過直接、間接的方式對OPs定殖和生長的作用機制,并提出了深化認(rèn)識供水系統(tǒng)中真核微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及新興管材的微生物安全風(fēng)險的研究需求。

1 管材對水化學(xué)性質(zhì)的影響

1.1 有機物的釋放

塑料管材由有機聚合物制成,由于制管工藝中抗氧化劑和增塑劑等添加劑的使用,管材表面可浸出有機磷[5]、有機碳等有機化合物[6](表1[7-11])。Lehtola等[12]通過中試研究發(fā)現(xiàn),PE管出水磷的濃度相比于進(jìn)水口明顯增加,出水微生物可利用磷(MAP)濃度是進(jìn)水口的10～15倍。Zhang等[13]在模擬管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn),PE管中的水在停滯48 h后,總有機碳(TOC)質(zhì)量濃度從0.19 mg/L增加到0.34 mg/L。

表1 不同塑料管材添加劑及主要浸出有機物Tab.1 Main Leached Organic Compounds of Different Plastic Pipe Additives

不同塑料管材有機物浸出量和速率存在差異。PVC管中添加劑主要含金屬穩(wěn)定劑[14],而PE管和PPR管中含有較多的抗氧化劑、增塑劑等有機添加劑,因此,其浸出液有機物含量和種類較多[13](表1)。Heim等[15]對比了高密度聚乙烯(HDPE)管和氯化聚氯乙烯(cPVC)管中浸出的有機物含量,發(fā)現(xiàn)HDPE管水相TOC濃度是cPVC的2倍。Zhang等[8]在模擬管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn),停滯24 h,PE管的TOC遷移率是PPR管的3倍,是未增塑聚氯乙烯(uPVC)管的10倍。

部分研究[8]表明,隨著塑料管材使用時間的增加,浸出到水中的TOC會顯著減少。雖然早期TOC濃度下降較快,但塑料管材會長期保持一定濃度的有機物浸出。Lund等[16]發(fā)現(xiàn),交聯(lián)聚乙烯(PEX)管的有機物浸出量至少可以在12個月內(nèi)相對穩(wěn)定。

1.2 金屬離子的浸出

建筑供水管網(wǎng)中銅管、不銹鋼管及其他金屬元件的使用,可導(dǎo)致金屬離子的浸出。Inkinen等[17]對實際建筑供水管網(wǎng)的研究發(fā)現(xiàn),銅管出水口的總銅含量是進(jìn)口處的7.8倍。銅管中銅離子可通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),在形態(tài)變化(如:形成水垢)和傳質(zhì)過程中釋放[18]。此外,氯消毒劑也可以與銅管反應(yīng)生成氯化亞銅(Ⅰ)或氯化銅(Ⅱ),加速銅離子的浸出[19]。黃海[20]在氯消毒的模擬管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn),不銹鋼管運行14個月后,鐵離子質(zhì)量濃度從0.05 mg/L上升到0.13 mg/L,且低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)的限值(0.3 mg/L)。不銹鋼管浸出的鐵離子較鑄鐵管少,這可能與不銹鋼管性質(zhì)較為穩(wěn)定有關(guān)。然而,一旦不銹鋼管表面的氧化鉻膜被破壞,消毒劑會與不銹鋼管發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致局部腐蝕,生成亞鐵/鐵氧化物和氫氧化物[21]。塑料管材上的黃銅部件由于脫鋅腐蝕反應(yīng)會浸出鋅[22]。銅/鉛復(fù)合管和PVC管(含約1%的鉛)中可浸出少量的鉛[23]。Lasheen等[24]發(fā)現(xiàn),停滯2周時,PVC管中鉛離子的浸出量高達(dá)0.09 mg/L,遠(yuǎn)高于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)的限值(0.01 mg/L)。由于鉛離子超標(biāo)易引起鉛中毒,目前,我國已禁止給水管道使用含鉛管材及管件。

1.3 消毒劑的降解

供水管網(wǎng)通常使用氯、氯胺等消毒劑控制飲用水微生物數(shù)量。管材管壁腐蝕產(chǎn)生的結(jié)節(jié)、生物膜,以及管材中浸出的金屬離子和有機物均能與消毒劑反應(yīng),加速消毒劑降解[25]。

不同管網(wǎng)材料與消毒劑的反應(yīng)速率存在較大差異。多項研究[19,26-27]表明,相比于塑料管材,銅管更容易加速消毒劑的降解。Lehtola等[19]在模擬管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn),相比于進(jìn)水,PE管出水的氯含量下降31%,銅管出水的氯濃度下降78%。銅管上腐蝕產(chǎn)物(如氫氧化銅)可與氯胺、氯發(fā)生反應(yīng),加速消毒劑的降解[28]。塑料管(如PEX管)中余氯降解可能與管材浸出的抗氧化劑或聚合物有關(guān)[15]。不銹鋼管由于其表面具有一層抗腐蝕的氧化鉻膜,有良好的耐腐蝕性,不易與消毒劑發(fā)生反應(yīng),但一旦產(chǎn)生局部破壞,會發(fā)生點蝕[29],進(jìn)而加速消毒劑降解[30]。

可見,管材通過浸出有機物和金屬離子、加速消毒劑降解,對水化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。然而,目前尚缺乏在管材影響下對水化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行短期或長期的風(fēng)險評估,值得今后進(jìn)一步加強研究討論,以確保水質(zhì)的穩(wěn)定和安全。

2 管材對微生物載量和群落組成的影響

2.1 微生物載量

因不同管道材料的物理界面(粗糙度)、化學(xué)活性等存在差異,細(xì)菌在其表面黏附和生長能力也有所不同[31]。多項研究[12,32]表明,塑料管(如PPR、PE等)的細(xì)菌載量顯著大于金屬管(如銅管、不銹鋼管)。Lehtola等[12]利用中試配水系統(tǒng)研究銅和PE管表面生物膜的形成速度,發(fā)現(xiàn)PE管上生物膜形成速度較銅管快,在37 d內(nèi)微生物量快速增加并達(dá)到亞穩(wěn)定狀態(tài)。Shan等[32]在模擬管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn),PPR管生物膜生物量始終顯著高于不銹鋼管。一方面,塑料管道表面自身性質(zhì)有利于細(xì)菌附著和生物膜的形成[31]。另一方面,塑料管道表面容易浸出可降解有機物,為細(xì)菌提供額外營養(yǎng)源。不銹鋼管表面含鉬基氧化物,具有抗菌性[30],能抑制細(xì)菌生長。同時,不銹鋼管具有親水性[25],可以減少細(xì)菌黏附。Learbuch等[33]在模擬管網(wǎng)中,對比PVC管和銅管生物量時發(fā)現(xiàn),銅管生物膜上生物量最低。一般認(rèn)為,銅管表面具有較高的抗菌性,能減緩生物膜的形成[34]。銅使細(xì)菌失活機制的假設(shè)有兩種[35]:一是銅離子與帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜相互作用導(dǎo)致細(xì)胞裂解;二是銅誘發(fā)氧化還原反應(yīng)(亞銅離子和銅離子之間的價態(tài)轉(zhuǎn)化)導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷。然而,長時間管網(wǎng)運行可能使銅管失去抑菌效果。研究[36]表明,雖然銅管使用前期生物膜形成較為緩慢,但隨著時間的流逝(100～300 d),其表面生物載量與其他材料(例如不銹鋼和塑料)差異不大。這可能與生物膜中的細(xì)菌產(chǎn)生對銅抗性有關(guān)。

2.2 群落結(jié)構(gòu)多樣性

管道材料除了影響微生物載量外,還可以影響群落結(jié)構(gòu)的多樣性。不同管材的生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大差異(表2)。例如,Ren等[37]在實際供水管網(wǎng)中的研究發(fā)現(xiàn),α-變形菌在不銹鋼管中相對豐度是PVC管中的3倍,不銹鋼管Shannon指數(shù)(1.44)低于PVC管(2.16)。研究[38]表明,微生物在管道中呈現(xiàn)非均質(zhì)分布,由于重力,管道底部存在沉積物,同一管段的上、下部分的生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性存在差異。此外,管材底部的沉積物可提供缺氧微環(huán)境,更有利于厭氧微生物(如Holophagafetida)的定殖[38]。

表2 管材對微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響Tab.2 Effect of Pipe Materials on Microflora Structure

2.3 具有管網(wǎng)腐蝕作用的特定微生物的富集

金屬管材有利于某些特定微生物的富集,引起微生物介導(dǎo)的管網(wǎng)腐蝕和物質(zhì)溶出。例如,德氏食酸菌、克氏微球菌等細(xì)菌容易生長在銅管生物膜中,誘導(dǎo)銅管腐蝕,促進(jìn)銅離子的浸出[43]。鐵質(zhì)管材的腐蝕區(qū)域易富集鐵氧化菌、鐵還原菌等。假單胞菌屬和絲狀細(xì)菌等鐵氧化菌多在含鐵管材(不銹鋼管和球墨鑄鐵管)中檢出,可加劇管道腐蝕和鐵離子結(jié)節(jié)形成[44]。硫酸鹽還原菌是一類厭氧細(xì)菌,多生長在銹垢和沉淀物內(nèi)部,通過將硫酸鹽還原為硫化物,導(dǎo)致銅管、不銹鋼管發(fā)生點蝕或厭氧腐蝕[29]。硫酸鹽還原菌和鐵氧化細(xì)菌之間的相互作用也可以加速鐵管腐蝕[5]。

3 管材對OPs的影響

OPs是供水管網(wǎng)土著微生物,具有耐高溫、抗消毒劑等特性,在建筑供水管道中可自然定殖、持續(xù)存在和繁殖[45]。不同的OPs之間還存在復(fù)雜的生態(tài)學(xué)相互作用。例如,棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等阿米巴原蟲可以作為軍團(tuán)菌、非結(jié)核分枝桿菌的宿主,提高它們在飲用水中的抗消毒劑能力、繁殖速率和致病性[46-47]。建筑供水管網(wǎng)管材的多樣化造就了復(fù)雜的管網(wǎng)微環(huán)境,可對OPs的定殖和生長產(chǎn)生影響(圖1)。

圖1 建筑供水管網(wǎng)微環(huán)境對OPs生長的影響Fig.1 Influence of Building Plumbing Microenvironment on OPs Growth

3.1 管材對OPs的直接影響

塑料管材能釋放有機物,為OPs生長提供營養(yǎng)物質(zhì)。PVC管道可以浸出60～50 000 μg/L的TOC,其中約50%是可同化有機碳[6]。研究[48]表明,相比于金屬管道,塑料管道更容易促進(jìn)OPs生長。例如,Mullis等[49]在生物膜環(huán)形反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn),相比于玻璃和銅,PEX上黏附的鳥分枝桿菌數(shù)量更多。但由于OPs屬寡營養(yǎng)微生物,建筑供水管網(wǎng)中低有機碳濃度的環(huán)境也不會限制所有OPs的生長。例如,鳥分枝桿菌可以在質(zhì)量濃度低至50 μg/L的可同化有機碳條件下生存[50]。

銅管浸出的可溶性銅離子具有抗菌性,能抑制軍團(tuán)菌[33,51]、銅綠假單胞菌[52]和非結(jié)核分枝桿菌[49]的生長,或誘導(dǎo)使其處于活的但不可培養(yǎng)狀態(tài)(viable but nonculturable,VBNC)[53]。Dwidjosiswojo等[54]研究銅管中銅離子的浸出對銅綠假單胞菌的影響時發(fā)現(xiàn),銅綠假單胞菌在飲用水常見的銅質(zhì)量濃度下(1 mg/L),24 h后會喪失可培養(yǎng)能力,但一旦銅離子被去除,可完全恢復(fù)可培養(yǎng)性和細(xì)胞毒性。然而,水化學(xué)性質(zhì)[如天然有機物(NOM)、磷酸鹽濃度]會通過沉淀和絡(luò)合作用,降低銅管中可溶性銅離子的含量,減弱銅管的抗菌性。Song等[55]研究發(fā)現(xiàn),在pH值=7時,添加3 mg/L磷酸鹽和5 mg/L NOM,銅離子對軍團(tuán)菌的抗菌作用分別降低了4倍和7倍。不銹鋼管在建筑供水管網(wǎng)中的使用頻率逐年增多,目前僅有少量研究報道了不銹鋼管對微生物群落結(jié)構(gòu)、生物量的影響,并未關(guān)注不銹鋼管對OPs的影響。

3.2 管材與其他因素相互作用對OPs的影響

管網(wǎng)環(huán)境錯綜復(fù)雜,如長停滯時間、水溫變化、消毒劑降解等因素均可能與管材發(fā)生交互作用,進(jìn)而影響OPs的定殖和生長。此外,實際供水管網(wǎng)中,供水主管網(wǎng)管材也會對下游建筑供水管網(wǎng)管材中OPs的定殖產(chǎn)生影響。管道材料和不同類型消毒劑的相互作用對OPs影響顯著。Buse等[48]在生物膜環(huán)形反應(yīng)器的研究中發(fā)現(xiàn),氯胺消毒劑對銅管生物膜上嗜肺軍團(tuán)菌的滅活作用優(yōu)于PVC,使用氯時則相反。一方面,該反應(yīng)器中銅管生物膜比PVC厚,而氯胺對生物膜的滲透力更強;另一方面,相比于PVC管,氯與銅管腐蝕產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)加速消毒劑降解[28]。Norton等[56]在中試系統(tǒng)中研究發(fā)現(xiàn),在未發(fā)生腐蝕的銅管生物膜上,氯消毒對鳥分枝桿菌的控制效果更好;而在發(fā)生管道腐蝕的鐵管上,氯胺對鳥分枝桿菌的控制效果較好。這與管材腐蝕產(chǎn)物對自由氯消耗量較大有關(guān)[26]。一般而言,氯胺滲透生物膜的能力比氯強,但氯能更有效地滅活水相和生物膜表面附近的微生物[48]。建筑供水管網(wǎng)存在冷、熱水管線,溫度變化范圍大。OPs是喜溫微生物,與冷水系統(tǒng)相比,在特定溫度和流速下,熱水系統(tǒng)的OPs濃度往往更高[17]。溫度的變化也可影響銅管中OPs的生長潛勢。Proctor等[57]研究不同溫度(32～53 ℃)下銅管和PEX管對OPs影響時發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度高于41 ℃,銅管中嗜肺軍團(tuán)菌數(shù)量顯著增多。這是由于銅管中浸出的具有抗菌性的可溶性銅隨溫度的升高而減少,無法抑制嗜肺軍團(tuán)菌的生長。

另外,上游供水主管網(wǎng)管材[58]、水停滯時間[59]等因素也會影響建筑供水管網(wǎng)中OPs的定殖。Lu等[60]研究發(fā)現(xiàn),上游銅管降低了下游生物膜中的微生物多樣性,促進(jìn)了嗜肺軍團(tuán)菌的定殖。也有研究[61]發(fā)現(xiàn),耐腐蝕塑料代替上游舊管道,可顯著性減少下游分枝桿菌的數(shù)量。Ley等[62]在一棟綠色建筑的實際采樣中發(fā)現(xiàn),PEX管中軍團(tuán)菌數(shù)量隨著水停滯時間的增加而增加。

4 總結(jié)與展望

管材是影響飲用水化學(xué)性質(zhì)和微生物學(xué)特征的重要工程因子。在建筑供水管網(wǎng)系統(tǒng)中,管材在停滯時間、溫度、消毒劑等因素的影響下,形成了復(fù)雜的微環(huán)境,對微生物群落結(jié)構(gòu)和OPs的定殖產(chǎn)生了顯著的影響。目前,雖然各國學(xué)者針對管材對OPs的影響這一研究方向展開了不同程度的探索,但仍存在許多研究空白。例如,不銹鋼管在建筑供水管網(wǎng)中的使用頻率逐年增多,但尚未有研究關(guān)注不銹鋼管中OPs的生長特性。鑒于近年不銹鋼管在高品質(zhì)供水小區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用,評估不銹鋼管環(huán)境條件下微生物,尤其是OPs的再生長潛能具有實際研究價值。

現(xiàn)有研究多針對于原核微生物群落進(jìn)行分析,對真核微生物的探索較少。然而,在飲用水系統(tǒng)中廣泛存在的真核微生物,如賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲以及阿米巴原蟲等原生動物等,可對人體造成健康威脅,目前針對管材對真核微生物群落結(jié)構(gòu)的研究較少。此外,現(xiàn)有研究已證明,真核微生物會影響原核微生物生長和繁殖,如自由生活阿米巴可作為軍團(tuán)菌、分枝桿菌等的宿主以躲避消毒劑的滅活作用。因此,有必要針對阿米巴原蟲等真核微生物展開研究,探討管材影響下阿米巴原蟲定殖能力、群落組成,以及與阿米巴共生的軍團(tuán)菌等OPs導(dǎo)致的致病風(fēng)險,進(jìn)而完善飲用水生物安全評估框架以保障飲用水安全。