对于饮用水供应系统的微生物污染，我们对其特点、入侵途径和检测方法都知之甚少。传统的指示参数 ，需要通过随机采样以及后期的实验室分析能获得，但这种方法中容易产生时间差，即当发现污染时，很可能已经有人把这些受污染的水喝到肚子里了。为了更好地应对污染事件，许多自来水公司开始引入分层比例采样以及实时传感器的方法以弥补随机采样的不足。丹麦技术大学(DTU)、丹麦制造商格兰富（Grundfos）和丹麦Aarhus水务公司合作，对一款名为BACMON的新型细菌监测仪进行测试，考察它对四种污染事件的检测能力，包括污水入侵、雨水径流、饮用水的沉淀物再悬浮和鸟粪污染。他们的研究结果发表在国际水协会的开源期刊《H2Open Journal》上。
图1. 可以监测饮用水中的细菌数量的在线传感器 | 图源：kwr
溶解氧、pH、电导率和浊度等常规水质参数，都已经有许多快速检测的实时方法和设备。但这些参数最多只能间接反映微生物的数量和活性，不能直接显示微生物负荷的变化情况。那么事实上有没有能够直接显示微生物负荷变化的方法和设备呢？其实是有的，只是大多数都是实验室里的方法，或者需要对分析样品进行预处理，例如流式细胞术、ATP分析和光学细菌检测等。前两者都需要用到荧光药剂等耗材，这需要对产生的废物进行处理以及定期的维护。光学方法则无需化学品，而且维护较少。早在2016年，丹麦的研究团队就研发了一款可以监测细菌和非生物颗粒的新型在线光学检测仪，并表示其检测用时只需10分钟左右。在这个研究里，他们对该设备在饮用水领域的应用作了进一步评估，包括测试了该仪器检测不同类型污染事件的能力，并和传统方法做了对比。
图2 . 细菌传感器大大降低了监测所需时间 | 图源：GRUNDFOS
研究团队主要考察了四种污染事件，包括污水入侵、雨水径流、饮用水的沉淀物再悬浮和鸟粪污染。原因包括：
- 在丹麦，饮用水污染事件主要跟饮用水和污水系统的交叉连接，或者鸟类排泄物进入一些半开放式储水设施有关；
- 在旱湿交替季节，地表水径流可能会引起大肠杆菌的出现或数量的增加；
- 自来水分类系统里的沉积物受到压力冲击的时候，可能会出现再悬浮的情况
这个设备是怎样在几分钟内计算出细菌数量的呢？原来，这个传感器实际上是一个智能显微镜，它利用3D图像识别技术对物体进行计数和分类。如下图所示，水样会放置在一个光学流动室里，然后对水样拍摄超过1000张照片。利用不同的成像技术，计算机可以跟踪和识别水样图片里的所有物体。对于每个单个物体，传感器单元会提取它的一组特征，然后跟预设的特征集进行比较，判断个体属于细菌还是非生物颗粒。分类完成之后，程序随机得到两类物质的计数结果。这时机器会对流动室进行清洗，为下一个样品做好准备。
图3. 细菌传感器的计数原理 | 图源：Nature.com这套设备由格兰富公司提供，丹麦技术大学和格兰富位于Bjerringbro的实验室使用其进行冲击测试。
（a）污水厂进水原水
（b）地表水径流（雨后水滩取样）
在格兰富Bjerringbro实验室采用的测试用样品包括：
（c）当地家禽协会的一个鸽子繁殖场取得的鸟类粪便
采集的样品固体先悬浮在自来水里（经过滤消毒的），经一小时静置后倒出上清液。除此之外，分析项目还包括细胞总直接计数（TDCC）、异养菌总数(HPC)、浊度和电导率。如下图4结果显示，传感器检测到的细菌和非生物颗粒总数和各单独污染模拟事件的浊度有较高的相关性。不同污染源的斜率有显著差异，但不同地点进行的同类测试斜率则相当接近。这些结果和此前的研究结果吻合。
图4. 每个冲击测试颗粒总浓度和电导率的比
他们此前的研究就显示，传感器检测的细菌数量和通过显微镜人工计数得到的TDCC之间有较好的相关性。而下图所示，此次实验的结果也与此吻合，两者的比例约为1：1。
图5. 细菌浓度(传感器所测)和TDCC的浓度的比较图
平板菌落计数法已经实践多年，但是无论它的普及程度再怎么提高，这种方法还是只能反映整个群落的部分情况。其次，传统方法耗时多日，而传感器只要10分钟左右就能读数，已经相当接近实时测量。虽然研究团队也承认，目前这种方法无法对聚集在一起的每个细胞进行计数，但相比而言，细菌传感器测得的TDCC或者细菌数量似乎为更加准确的近似值。除了在丹麦，其实荷兰开展了新型微生物传感器的测试和研究。荷兰的KWR研究所得到了TKI项目资助，对格兰富公司的BACMON传感器，以及microLAN 的BACTcontrol两款产品进行测试。项目从2017年1月开始，在2019年底结束。其中BACMON只用于鉴定微生物的总活性，但考察内容除了饮用水，还有地下水、地表水和冷却塔的水，至于BACTcontrol，除了可以用于微生物活性鉴定，还可以分析肠球菌(enterococci)数量，主要针对饮用水和地表水。他们会对两种装置的表现进行对比，最终还会对检测肠球菌的BACTcontrol作进一步的研发和优化。
图6. 在线监测河水微生物质量的装置BACTCONTROL(MICROLAN) | 图源：KWR
社会对水资源要求的不断提高，意味着水务部门要不断提高自身管理水平。丹麦团队的研究显示了传感器测得的细菌信号和实验室得到的TDCC之间良好的相关性，而且检出限远低于浊度传感器。这些结果都显示了这款光学传感器的优势，能够帮助相关机构更好地实时监测饮用水的细菌，它可以作为早期预警工具，更快速地应对潜在的污染事件。但另一方面，作为一个全新的解决方案，这一基于光学传感饮用水污染监测系统能否快速普及还有待时间验证，毕竟对于目前的监测人员来说，它还是陌生的新事物。
参考资料
Detectionof drinking water contamination by an optical real-time bacteria sensor,B.Højris, S. N. Kornholt, S. C. B. Christensen, H.-J. Albrechtsen, L. S. Olesen, H2Open Journal (2018) 1 (2): 160–168.https://doi.org/10.2166/h2oj.2018.014
