鐘丹，工學(xué)博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授/ 博導(dǎo)，2021 年度哈爾濱工業(yè)大學(xué)“青年科學(xué)家工作室” 負(fù)責(zé)人，首批“國(guó)家級(jí)一流課程”《給水排水管道系統(tǒng) 1》負(fù)責(zé)人，主要從事管網(wǎng)安全保障技術(shù)研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(子課題)等科研項(xiàng)目 10 余項(xiàng)。近年來(lái)，在 WR、EST、 CEJ、BT 等國(guó)內(nèi)外著名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 余篇。獲國(guó)家發(fā)明專利 7 項(xiàng),授權(quán)軟件著作權(quán) 8 項(xiàng)。出版專著 2 部,主編教材 2 部。獲化工部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，省優(yōu)秀工程咨詢成果二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，省部級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。擔(dān)任《凈水技術(shù)》青年編委、《中國(guó)給水排水》青年編委、 省水利學(xué)會(huì)分委會(huì)委員、城市水資源開(kāi)發(fā)利用(南方)國(guó)家工程中心專家、哈爾濱供水集團(tuán)管網(wǎng)分委員會(huì)委員等 12 項(xiàng)社會(huì)兼職。

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

本文發(fā)表于《凈水技術(shù)》2022年第1期

摘要

供水管網(wǎng)中的耐氯菌存在廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)。耐氯菌的控制是供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障的核心問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)供水管網(wǎng)中不同輸送距離的耐氯菌生物種類(lèi)多樣性進(jìn)行分析研究,同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)室自制管道模擬裝置,從管材、余氯濃度、菌落形態(tài)以及細(xì)菌種類(lèi)等方面對(duì)分離出的耐氯菌進(jìn)行研究。結(jié)果表明供水管網(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(duì)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(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性，對(duì)人類(lèi)的健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。最后，從耐氯菌對(duì)消毒劑和抗生素抗性關(guān)系的角度，分析與展望了未來(lái)供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

供水管網(wǎng)安全保障目標(biāo)包括水量、水壓、水質(zhì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(guò)管網(wǎng)建模對(duì)供水管網(wǎng)壓力與水質(zhì)進(jìn)行管理；

(3)區(qū)塊化管理；

(4)供水管網(wǎng)漏損控制；

(5)加強(qiáng)運(yùn)行管理。

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

對(duì)從北方某實(shí)際管網(wǎng)中分離出的細(xì)菌研究發(fā)現(xiàn)，供水管網(wǎng)中常見(jiàn)的耐氯菌種類(lèi)很多，包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動(dòng)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(duì)人類(lèi)健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的致病菌。隨著輸水距離的增加，管網(wǎng)中的微生物種類(lèi)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(dòng)鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、德氏食酸菌屬(Acidovorax)，說(shuō)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(qiáng)、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(wèn)題之一。

研究發(fā)現(xiàn)，距離加氯點(diǎn)越遠(yuǎn)，管網(wǎng)中水的停留時(shí)間越長(zhǎng)，管網(wǎng)中微生物種類(lèi)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(shì)菌；管網(wǎng)末梢處的優(yōu)勢(shì)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(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成存在較大差異。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室自制管道模擬裝置，從管材、余氯濃度、菌落形態(tài)、細(xì)菌形狀以及細(xì)菌種類(lèi)等方面對(duì)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(xì)菌的黏附能力有關(guān)，革蘭氏陽(yáng)性菌雖然有一層能夠抵御余氯侵害的厚實(shí)的細(xì)胞壁，但是其黏附能力較差，不易黏附在管壁上生長(zhǎng)。

(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(zhǎng)度大多不超過(guò)1μm，只有極少量桿菌長(zhǎng)度在1μm以上，球菌體積直徑不超過(guò)0.5μm。供水管網(wǎng)為寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，超微細(xì)菌(直徑小于0.3μm)在這種環(huán)境中占有優(yōu)勢(shì)地位。

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

1.2 基于管道生長(zhǎng)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(gè)復(fù)雜的、龐大的供水體系，隨著運(yùn)行年份的增加，管網(wǎng)內(nèi)壁附著厚厚的生長(zhǎng)環(huán)，同時(shí)進(jìn)行著物理、化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，所以供水管網(wǎng)中的生長(zhǎng)環(huán)是一個(gè)重要的信息傳播通道，也是耐氯菌與鹵代有機(jī)污染物初級(jí)賦存的重要場(chǎng)所，如圖1所示。以生長(zhǎng)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(lèi)Fenton催化氧化體系”、“雙金屬雙氧化體系”，降解有機(jī)污染物，控制生物膜上耐氯菌滋生。

2.1 耐氯菌對(duì)抗生素的耐受性

選擇供水管網(wǎng)中常見(jiàn)耐氯菌:枯草芽孢桿菌和鞘氨醇單胞桿菌作為研究對(duì)象，探究管網(wǎng)中典型耐氯菌對(duì)抗生素的耐受性。通過(guò)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(guò)耐氯菌細(xì)胞膜疏水性、脂肪酸含量、生長(zhǎng)曲線及其對(duì)氯消毒劑抗性等情況的測(cè)定和分析，探究抗生素對(duì)耐氯菌結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，抗生素對(duì)耐氯菌的生長(zhǎng)具有顯著影響:抗生素的存在使枯草芽孢桿菌更快地進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，當(dāng)馴化后的細(xì)菌仍處在對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期時(shí)，未經(jīng)馴化的細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定期和衰亡期?？梢?jiàn)，抗生素的存在會(huì)增強(qiáng)耐氯菌對(duì)氯消毒劑的抗性，增強(qiáng)細(xì)菌生長(zhǎng)代謝能力。

兩種細(xì)菌對(duì)其中某些抗生素具有天然的抗性，鞘氨醇單胞菌對(duì)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(duì)青霉素抗性最強(qiáng)，對(duì)于頭孢呋辛和哌拉西林抗性中等，對(duì)于其他種類(lèi)抗生素沒(méi)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(jiàn)的耐氯菌，其對(duì)消毒劑的抗性機(jī)制可能與其對(duì)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(lèi)多于枯草芽孢桿菌。

已有研究表明，如果微生物對(duì)氯消毒劑的抗性強(qiáng)，那么相應(yīng)地它對(duì)抗生素的抗性能力也強(qiáng)，在低濃度的氯消毒劑壓力下，微生物之間進(jìn)行可移動(dòng)基因元件轉(zhuǎn)移的頻率會(huì)有所增加。此外，有報(bào)道指出抗性細(xì)菌經(jīng)過(guò)供水管網(wǎng)的運(yùn)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(jìn)了耐藥基因在細(xì)菌間的水平轉(zhuǎn)移，從而在一定程度上恢復(fù)了耐藥細(xì)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(duì)于耐氯菌的多重耐藥性的影響。

通過(guò)對(duì)兩種細(xì)菌隨消毒時(shí)間的存活率進(jìn)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(dòng)力學(xué)模擬曲線，兩株菌的去除反應(yīng)均符合二級(jí)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(lái)看，都是隨著時(shí)間的增加，曲線呈下降趨勢(shì)。但隨著消毒時(shí)間的增加，菌體被進(jìn)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10min的消毒時(shí)間內(nèi)，雖然鞘氨醇單胞桿菌所受消毒劑質(zhì)量濃度為2mg/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。說(shuō)明鞘氨醇單胞桿菌更易被滅活，究其原因，可能與兩種細(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行藥敏試驗(yàn)。

(1)對(duì)出廠水中BDOC等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行控制，在供水管網(wǎng)前端進(jìn)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(xì)菌自身特點(diǎn)對(duì)耐氯性有很大影響，所以有針對(duì)性地選擇消毒劑種類(lèi)、二次消毒方式、二次消毒劑投加點(diǎn)，是有效保障管網(wǎng)輸送過(guò)程中水質(zhì)安全的重要方法，在供水管網(wǎng)輸送飲用水過(guò)程中對(duì)細(xì)菌進(jìn)行抑制。

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