高校优秀论文 | 就是这些因素让致病菌，存在于我们的建筑供水系统!
安全优质的饮用水是人类健康生存的前提，城市供水系统的任务是通过市政供水管网与建筑供水系统将达到饮用水水质卫生标准的净水厂出水输送至用户龙头。饮用水在供水系统运输过程中发生了物理化学变化与微生物再生长，致使龙头水水质及生物安全性相较于出厂水有所下降，因此龙头水水质安全问题一直是国内外学者的研究重点。
建筑供水系统包括热水系统及冷水系统，具有管道面积体积比较大、水流间歇性停滞、消毒剂余量低和温度适宜微生物繁殖等特点，这为微生物的再生长创造了良好的条件。研究发现，市政管网出水在建筑供水系统分配过程中，微生物总量明显增加，且条件致病菌在建筑供水系统中的检出率高于市政管网和净水厂出水。
建筑供水系统条件致病菌(opportunistic premise plumbing pathogens，OPPPs)是水生微生物，免疫力低下的人群易被感染。供水系统中常见的OPPPs包括军团菌(Legionella)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、分枝杆菌，以及原生动物阿米巴原虫等。
与传统的外源水生致病菌(如：沙门氏菌、志贺氏杆菌等)不同，OPPPs是供水系统的原生细菌，具有耐氯、耐温的特点，且建筑供水系统为OPPPs的再生长与繁殖提供了有利条件，因此，相较于供水管网，建筑供水系统中的OPPPs数量明显增加。此外，由于OPPPs生长缓慢、培养周期长，常规的异养菌平板计数检测无法正确检出OPPPs，从而不能准确评估其带来的风险。目前，我国饮用水卫生标准GB 5749—2006未对OPPPs的含量做出限定，因此，建筑供水系统中的条件致病菌存在水平及其带来的生物污染风险应当引起重视。
研究表明在净水厂出水、供水管网水水质达标的情况下，龙头端仍存在HPC超标现象，说明建筑供水系统的存储输送造成了龙头水水质劣变。
Lipphaus等通过流式细胞计数对实验室、厨房、洗浴间龙头出水的微生物总量进行检测，龙头水中活细胞数在6.29×103～7.74×105cells/mL，且不同使用功能的龙头出水微生物总量相差较大。Zacheus等对芬兰地区建筑冷水系统和热水系统的龙头水进行水质分析，冷水系统中常温异养菌数均值为5.3×104CFU/mL，总细胞数均值为1.4×108cells/L；热水系统中的常温异养菌数、总细胞数均低于冷水系统，但嗜热异养菌数较高，表明建筑热水系统及冷水系统中的微生物总量及组成存在差异。因此，微生物群体易于在建筑供水系统提供的环境条件中进行再生长与繁殖，使得龙头水微生物含量超标的现象时有发生。全面评价龙头水微生物污染现状，探讨由此引发的健康风险具有实践意义。
典型的OPPPs如军团菌和铜绿假单胞菌在国内外检出水平较高且健康风险大，它们可通过呼吸吸入、皮肤接触等方式侵入人体，对易感人群的身体健康造成威胁。Barna等的研究表明，具有较高健康风险的军团菌与HPC不具有相关性，因此，亟需对OPPPs在龙头水中的检出状况及存在水平进行研究。
军团菌病首次爆发于1976年美国费城的退伍军人大会，182例感染者中有28例死亡，传染源为受军团菌污染的水体。2014年，美国弗林特市军团菌病爆发，疾病爆发前弗林特市进行了水源切换，其后当地居民军团菌病发病率增加了6.3倍。疾病爆发期间，发病率随饮用水中的游离氯浓度降低而升高，且当居民将龙头水煮沸使用后，军团菌病逐渐平息，表明军团菌病传染源为生活饮用水。英国传染病监控中心报道，在1982年—1990年，208例医院内获得性军团菌感染病例中死亡人数达68例，感染源头为医院内的建筑供水系统。龙头水被军团菌污染的现象在全球各国普遍存在，德国Volke等对419座建筑的108 288个龙头水采样分析，发现军团菌数量为合格率最低的一项指标[当地标准为100 CFU/(100 mL)]。Barna等对匈牙利地区168栋建筑内部给水系统的水箱、龙头、淋浴器出水进行采样分析，军团菌检出率为61%。表1对近15年军团菌在世界各地区、不同类型建筑供水系统中的检出情况进行了总结。
2001年—2010年，美国和欧洲8%～11%的医院内感染都与铜绿假单胞菌相关，且研究发现约有 9.7%～68.1%的ICU病房龙头水铜绿假单胞菌检测为阳性。英国Garvey等发现，病房龙头水中分离出的菌株与从感染者中分离出的菌株具有同源性，说明龙头水是铜绿假单胞菌医院内获得性感染的源头。Peter等对欧洲地区15个冷水水箱中的水进行检测，其中13个水箱均分离出铜绿假单胞菌，且研究表明水箱进水口远端致病菌数量明显高于进水口处。Lu等研究发现，在水箱底的沉积物中，铜绿假单胞菌的检出率为22.2%，平均数量为250 cells/g。以上研究说明，水箱增加了饮用水被铜绿假单胞菌污染的风险。表2总结了世界各地区铜绿假单胞菌在建筑供水系统中的存在状况。
表2 世界各地区建筑供水系统铜绿假单胞菌存在状况一览
温度对微生物生长有显著影响。水温升至15 ℃时，水中的细菌总量显著升高；当水温>18 ℃时，HPC>100 CFU/mL的概率更高。王松松等对烟台市末梢水进行为期1年的采样分析，研究表明秋季的菌落总数合格率显著低于其他季节。但康利民等在对不同类型建筑的龙头水水质研究中发现，冬季酒店龙头水存在菌落总数超标现象；这说明即使室外气温较低，建筑供水系统仍可以为微生物生长提供合适的温度与生存环境。
军团菌在20～50 ℃的水温中可以存活，最适生长温度为35～46 ℃。当水温为46 ℃时，龙头水中军团菌检出率最高。建筑热水系统的水温一般在40～60 ℃，Barna等的研究表明，当水温>50 ℃时，军团菌检出率出现明显下降的趋势；Bargellini等发现，当温度>55 ℃时，水中军团菌的数量与温度呈现负相关。军团菌可进入VBNC状态，而VBNC状态的军团菌不具有繁殖和感染能力，Meier等的研究显示，11 ℃时，生物膜中的军团菌均处于VBNC状态；但在37 ℃时，可培养的军团菌仍能在生物膜中得以生存。综上，增加热水的温度有利于控制军团菌的繁殖，而降低冷水系统的水温也可以减少军团菌污染的风险。
铜绿假单胞菌存活温度为25～42 ℃。在李涛等的研究中，夏季龙头水铜绿假单胞菌的检出率为10.2%，明显高于冬季检出率1.9%。世界卫生组织提出，保持建筑热水系统的温度在60 ℃以上，是控制铜绿假单胞菌污染的一项策略。Cuttelod等对瑞士某医院ICU龙头水进行了为期10年(1998年—2007年)的检测，发现将热水系统水温从50 ℃提升到65 ℃，龙头水中铜绿假单胞菌的检出率有所下降。可见，控制建筑热水系统的温度是防止铜绿假单胞菌繁殖的一项有效措施。
氯投加是饮用水处理中常用的消毒手段，但建筑供水系统管网采用非环状布置造成水体停留时间长、流速缓慢，且沉积物易聚集，这种环境条件使得余氯在建筑给水管道中衰减迅速。区嘉明的研究结果显示，市政管网出水在水箱中的停留时间达8～40 h后，余氯降至0.05 mg/L以下，且余氯浓度与菌落总数存在显著负相关性。张浩等对某高层建筑水箱中水质变化进行检测，发现进水余氯为0.1 mg/L时，8～10 h后余氯量衰减至0.03 mg/L，此时菌落总数开始>100 CFU/mL。说明，随着余氯浓度的衰减，建筑供水系统中微生物再生长的风险增加。
军团菌对氯具有耐受性，龙头水中的嗜肺军团菌氯消毒CT99.9%值(杀灭99.9%的细胞所需时间和浓度的乘积)是大肠杆菌的580倍，且从贫营养的环境中分离出的嗜肺军团菌耐氯性高于在富营养培养基中生存的菌株。Marchesi等分别对未经氯消毒处理和经过氯消毒处理的热水系统水箱水、龙头水进行检测，发现氯消毒前后采样点军团菌检出率分别为87%和 53%；但氯消毒后嗜肺军团菌在检出点中所占比例更高，表明氯消毒并不能完全杀灭军团菌，且具有致病性的嗜肺军团菌耐氯性更强。因此，在建筑供水系统管道末端、贮水池和热水水箱中，由于余氯衰减和长时间滞留，未被杀灭的军团菌具有进行再生长的可能。
铜绿假单胞菌的氯消毒CT99.9%值约是大肠杆菌的21倍，部分铜绿假单胞菌可以分泌含有藻朊酸盐的胞外黏液来增强其对氯的耐受性。因此，经过氯消毒的龙头水亦存在被铜绿假单胞菌污染的风险。Mao等的研究显示，在贫营养(LB培养基稀释10 000倍)低氯浓度(0.3 mg/L)条件下，铜绿假单胞菌的灭活分为3个阶段，最初的16 h细菌被大量灭活；16～76 h铜绿假单胞菌浓度保持稳定；76 h后细菌继续被灭活，但当余氯浓度<0.3 mg/L时，则存在铜绿假单胞菌再生长风险。我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)对末梢水余氯浓度的限定为>0.05 mg/L，在这种余氯浓度较低的环境条件下，铜绿假单胞菌可能会进行再生长。
相较于市政供水管网，建筑供水系统用户用水存在间歇性，致使建筑供水系统中的水具有一定的停留时间，停留时间的长短受龙头使用时段及使用频率的影响，而饮用水在建筑供水系统中的长时间停留会促进微生物的生长繁殖。Lautenschlager等对10座民用建筑的隔夜水及放水冲洗后的龙头水进行检测，研究结果显示，与新鲜的自来水相比，经过8～20 h停留的龙头水细菌总数增加2～3倍，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)增加2～18倍，HPC增加4～580倍，且HPC与细胞总数的比值由0.02%增加至0.62%，这说明具有代谢活性的可培养细菌在水体停留期间再生长尤为显著。但Zlatanovic等的研究却发现，在使用铜管的建筑供水系统中，冬季水温较低时隔夜水中的细胞总数、HPC和ATP显著升高；在夏季水温较高时，隔夜水中的微生物总量反而降低，这可能是由于微生物的再生长受到了水中营养物质的限制。Ling等的研究发现，5～6 d的停留使龙头水的生物量从1000 cells/mL增加到7.8×105cells/mL，且龙头水中微生物群落的丰富度和均匀度下降。上述研究结果表明，水在建筑供水系统中的停留时间影响龙头水中微生物的数量。
不同建筑类型，水龙头的使用频率亦不相同。公共建筑的水龙头使用人数多，使用频率高；民用建筑的龙头使用频率则相对较低。Liu等检测了高使用频率和低使用频率龙头的出水，发现军团菌与铜绿假单胞菌在使用频率较低的龙头出水中检出率较高，这与龙头使用频率较低导致的长时间停留有关。但迄今为止，水在建筑供水系统中停留时间对OPPPs再生长的影响鲜见报道，军团菌、铜绿假单胞菌等OPPPs随停留时间增长的浓度变化趋势值得进一步研究。
生物膜是由微生物群体互相黏附并附着在管壁上形成的，通常被胞外聚合物包围，胞外聚合物主要由多聚物、蛋白质、核糖类物质组成，它们保证了生物膜结构和功能的完整性。建筑供水系统管道的比表面积大，有益于生物膜的形成，而水在管道中长时间的停留亦会促进生物膜的形成。
军团菌可在管道管壁生物膜中存活，生物膜中的军团菌大部分以VBNC状态存在。军团菌在生物膜中的存在水平高于管道中的水。荷兰Van等对3座医疗机构、2座宾馆共计10个采样点的龙头水及生物膜进行检测，生物膜中军团菌检出率为70%，水中军团菌检出率为50%。Waak等认为，龙头水军团菌污染源为市政管网的生物膜，当市政管网管壁生物膜中的军团菌脱落释放到水中，并随着管网输送进入建筑供水系统，在温度升高，且消毒剂余量低的环境条件下，军团菌可能会进行再生长，从而增加感染风险。具有致病性的嗜肺军团菌有很强的形成生物膜能力，温度为32～42 ℃时生物膜中细菌的繁殖速度快于在25 ℃时的繁殖速度，因此，附着于建筑热水管道生物膜中的嗜肺军团菌存在更高的再生长风险。
在市政管网的生物膜中，铜绿假单胞菌的检出率很低，但在建筑供水系统管壁生物膜中的铜绿假单胞菌检出频率却升高，说明建筑供水系统为其提供了更适宜的环境，致使其可在生物膜中再生长与繁殖，与浮游细菌相比，生物膜中的铜绿假单胞菌对消毒剂及抗生素的耐受性更强。
综上所述，建筑供水系统中的生物膜为OPPPs的生存与繁殖提供了生存环境以及与其他微生物等污染物相互作用的机会。管壁生物膜和水箱壁生物膜中的OPPPs可能是龙头水的污染来源。通过优选管道材料、对建筑供水系统各部分进行定期清洗等方法来控制生物膜的形成，对保障龙头水水质安全具有实践性意义。
除以上论述的因素外，影响建筑供水系统中OPPPs存在水平的因素还包括水中的营养物质、水的化学性质、建筑供水系统管道材料、微生物间的相互作用和管道中的水力条件等。探明OPPPs在建筑供水系统中的再生长机制对控制龙头水OPPPs污染具有指导意义。
由军团菌、铜绿假单胞菌等OPPPs在建筑供水系统中再生长造成的微生物污染在全球各国普遍存在，随着城市老龄人口和免疫系统疾病患者的增多，OPPPs污染带来的健康风险不容忽视。根据我国供水系统建设现状，加强建筑供水系统运行维护管理，如二次加氯、定期进行水箱清洗、对龙头水水质进行定期检测等方法可实现对龙头水生物污染的监管以及对OPPPs感染的预警。但目前尚无有效措施完全控制建筑供水系统中的OPPPs，因此，开发先进高效的微生物检测手段，探明OPPPs在建筑供水系统全流程的变化规律与存在机制，对研究OPPPs控制措施具有实践意义。
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