張雅梅，代雪寧，楊文暢，李偉英,,*

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

建筑供水系統(tǒng)由建筑冷水系統(tǒng)和建筑熱水系統(tǒng)組成，作為供水“最后一公里”的重要組成部分，其水質(zhì)安全與居民健康息息相關(guān)。新冠疫情暴發(fā)以來，飲用水水質(zhì)生物安全得到了更廣泛的關(guān)注和重視。建筑供水系統(tǒng)中水流停滯時(shí)間長(zhǎng)、供水管道直徑較小、管道末梢水中消毒劑含量低，為微生物提供了適宜的生長(zhǎng)條件[1-2]，而建筑熱水系統(tǒng)的水溫相比冷水系統(tǒng)更適宜微生物生長(zhǎng)[3]，增加了水質(zhì)生物風(fēng)險(xiǎn)。因此，建筑熱水系統(tǒng)成為微生物及病毒傳染的主要途徑之一，由此帶來的水質(zhì)安全問題時(shí)有發(fā)生。

軍團(tuán)菌(Legionellaspp.)是一種革蘭氏陰性的條件致病菌，具有耐熱性和耐氯性，廣泛存在于自然水體[4]及建筑供水系統(tǒng)中，可通過直接接觸或吸入氣溶膠方式侵入人體，引起2種呼吸道感染?。糊嫷賮喛藷岷蛙妶F(tuán)菌病[5]。1976年美國(guó)費(fèi)城首次暴發(fā)軍團(tuán)菌病，2000年—2009年美國(guó)軍團(tuán)菌病報(bào)告病例呈上升的趨勢(shì)[6]，我國(guó)自1982年在南京首次報(bào)告軍團(tuán)菌病例之后，在北京、廣州等省市陸續(xù)有軍團(tuán)菌散發(fā)和小規(guī)模暴發(fā)病例報(bào)道。與人類患病最為密切相關(guān)的是嗜肺軍團(tuán)菌(Legionellapneumophila)，90%的病例與其有關(guān)[7]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑供水系統(tǒng)全流程中軍團(tuán)菌的分布了解尚不充分，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)軍團(tuán)菌影響研究方面，多集中于水中不同形式存在的碳源[8-9]，對(duì)氮和磷的關(guān)注較少。各建筑類型中，賓館作為人流量較大的場(chǎng)所軍團(tuán)菌的檢出率較高[10]。因此，本研究以華東地區(qū)實(shí)際賓館(以下簡(jiǎn)稱“J賓館”)的建筑熱水系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析實(shí)際建筑熱水系統(tǒng)中軍團(tuán)菌的時(shí)空分布特征，探究各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)軍團(tuán)菌、嗜肺軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖的影響，并通過正交試驗(yàn)探究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)軍團(tuán)菌生長(zhǎng)的影響，為研究建筑熱水系統(tǒng)中軍團(tuán)菌存在規(guī)律以及末梢水生物安全保障提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 建筑熱水系統(tǒng)概況及采樣點(diǎn)布置

J賓館共11層，其中1～4層為會(huì)議室、餐廳等，5～10層為客房，屋頂水箱置于11層，2臺(tái)熱交換器置于B1層。熱水系統(tǒng)采用鋼塑復(fù)合管。綜合考慮建筑熱水系統(tǒng)供水流程以及供水距離，共設(shè)置6個(gè)取樣點(diǎn)，如圖1所示。

注：J1～J6—取樣點(diǎn)位置，J1—市政管網(wǎng)，J2—地下水箱，J3—屋頂水箱，J4—熱交換器，J5—10層的熱水末梢，J6—5層的熱水末梢

1.2 水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)及方法

水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)包括水溫、總氯、pH、渾濁度、重金屬及類金屬指標(biāo)，分別采用水銀溫度計(jì)、余氯分析儀、pH計(jì)、濁度儀以及電感耦合等離子質(zhì)譜儀測(cè)定；溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定；總氮(total nitrogen，TN)的測(cè)定依據(jù)《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)；可生物同化有機(jī)碳(assimilable organic carbon，AOC)以熒光假單胞菌P17和螺旋菌NOX為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試菌種，采用先后接種法測(cè)定；可生物利用磷(microbially available phosphorus，MAP)熒光假單胞菌P17為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試菌種，采用流式細(xì)胞儀測(cè)定生物量。余氯和水溫在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其余指標(biāo)在水樣運(yùn)回至實(shí)驗(yàn)室后檢測(cè)。

1.3 軍團(tuán)菌等微生物檢測(cè)方法

采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)建筑熱水系統(tǒng)中的軍團(tuán)菌、嗜肺軍團(tuán)菌、哈曼屬原蟲(Hartmannellavermiformis)以及16S rRNA基因(表征總細(xì)菌數(shù))。軍團(tuán)菌屬和嗜肺軍團(tuán)菌采用Taqman探針法，總細(xì)菌和哈曼屬原蟲采用Sybr Green染料法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

運(yùn)用SPSS(version 25)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)軍團(tuán)菌濃度隨時(shí)間和空間變化的差異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 建筑熱水系統(tǒng)軍團(tuán)菌存在水平

分別在夏季和冬季采集水樣，采用q-PCR定量檢測(cè)建筑熱水系統(tǒng)中軍團(tuán)菌的污染程度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 J賓館供水系統(tǒng)水中細(xì)菌的賦存水平

J賓館建筑熱水系統(tǒng)軍團(tuán)菌和哈曼屬原蟲檢出率為100%，哈曼屬原蟲在熱交換器后濃度顯著升高，在夏季尤為顯著。軍團(tuán)菌和總細(xì)菌數(shù)隨采樣點(diǎn)位置變化不明顯。軍團(tuán)菌含量在夏季時(shí)(4.19×104～3.55×105copies/mL)高于冬季(1.57×104～1.08×105copies/mL)。飲用水中軍團(tuán)菌可能會(huì)引起感染的含量為3.5×106～3.5×108CFU/L[11]，J賓館建筑熱水系統(tǒng)的軍團(tuán)菌含量已經(jīng)處于危險(xiǎn)閾值內(nèi)，應(yīng)當(dāng)引起注意。

嗜肺軍團(tuán)菌僅在熱交換器及末梢水檢出，含量為33.45～259.00 copies/mL，熱交換器中嗜肺軍團(tuán)菌濃度最高。建筑熱水系統(tǒng)中哈曼屬原蟲濃度升高促進(jìn)了嗜肺軍團(tuán)菌的生長(zhǎng)，可能是因?yàn)楣鼘僭x促進(jìn)嗜肺軍團(tuán)菌進(jìn)入“活的但非可培養(yǎng)”(viable but non-culturable，VBNC)狀態(tài)，增強(qiáng)其對(duì)不利環(huán)境條件的抵抗能力[12]。夏季5層的末梢熱水以及冬季10、5層的末梢熱水的嗜肺軍團(tuán)菌濃度低于定量限，未在圖中標(biāo)記。由檢測(cè)結(jié)果可知，末梢熱水均受到嗜肺軍團(tuán)菌污染，雖然污染程度不高，但仍有再生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)及其對(duì)軍團(tuán)菌存在影響

對(duì)水溫、總氯、pH、渾濁度檢測(cè)與分析結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，J賓館市政管網(wǎng)、水箱、熱交換器和末梢熱水的平均水溫分別為23.4、23.3、46.3 ℃和40.0 ℃。10層的末梢熱水為40.3～46.0 ℃，5層的末梢熱水在34.2～40.5 ℃，處于軍團(tuán)菌適宜生長(zhǎng)溫度范圍。由2.1節(jié)可知，J賓館熱交換器以及末梢熱水受到了軍團(tuán)菌、嗜肺軍團(tuán)菌的污染，而在冷水中未檢測(cè)到嗜肺軍團(tuán)菌。因此，水溫是影響軍團(tuán)菌(尤其是嗜肺軍團(tuán)菌)繁殖的重要因素。10層的熱水末梢嗜肺軍團(tuán)菌濃度較高，Proctor等[8]研究也表明在熱水系統(tǒng)中，當(dāng)溫度為41 ℃時(shí)嗜肺軍團(tuán)菌濃度達(dá)到峰值?！渡顭崴|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 521—2018)規(guī)定熱水溫度應(yīng)大于46 ℃，本研究中J賓館出于防止住客燙傷以及用水舒適性的考慮，熱交換器出水溫度較低，導(dǎo)致用水末梢熱水水溫均不滿足要求。因此，應(yīng)適當(dāng)提高熱交換器及末梢熱水溫度，以降低嗜肺軍團(tuán)菌濃度。

注：J4～J6采樣點(diǎn)總氯質(zhì)量濃度接近0，低于儀器定量限，故未在圖中標(biāo)出

J賓館總氯在各采樣點(diǎn)差異顯著(P=0.029<0.050)，J賓館未采用二次消毒措施，總氯隨供水距離的增加明顯降低，熱交換器后水中總氯含量接近為0。總氯的迅速衰減也是J賓館熱水系統(tǒng)中軍團(tuán)菌濃度較高的原因之一。

由圖3(b)～圖3(c)可知，J賓館的pH值為7.01～7.75，渾濁度全年在1 NTU以下，均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。值得關(guān)注的是，熱交換器渾濁度最高，而嗜肺軍團(tuán)菌濃度也最高，因此，渾濁度可能是促進(jìn)嗜肺軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖的重要因素之一。

重金屬及類金屬檢測(cè)結(jié)果表明，J賓館銅的質(zhì)量濃度為83.69～127.26 μg/L，在熱交換器中含量較高。Song等[13]研究表明200～800 μg/L的銅能有效殺菌，本研究中銅的質(zhì)量濃度較低，未表現(xiàn)出對(duì)軍團(tuán)菌生長(zhǎng)的抑制作用。砷的質(zhì)量濃度在0.30～2.15 μg/L，鉛質(zhì)量濃度在0.06～1.10 μg/L，兩者均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中質(zhì)量濃度<10 μg/L的要求。

碳、氮、磷是微生物生長(zhǎng)必要的營(yíng)養(yǎng)元素，建筑給水系統(tǒng)屬于貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)很可能成為微生物生長(zhǎng)的限制性因素。本研究選取DOC、AOC、TN以及MAP作為水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)，其中AOC、MAP為水質(zhì)生物穩(wěn)定性指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 J賓館供水系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)變化

由圖4(a)～圖4(b)可知，J賓館DOC質(zhì)量濃度在1.67～3.60 mg/L。夏季的屋頂水箱中DOC濃度最高，表明夏季屋頂水箱受到了有機(jī)物污染。TN質(zhì)量濃度在5.19～8.67 mg/L，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明J賓館DOC、TN與季節(jié)、采樣點(diǎn)間差異均不顯著。

市政供水管網(wǎng)水中AOC較低且比較穩(wěn)定，建筑內(nèi)部水中AOC波動(dòng)較大，平均質(zhì)量濃度在97～209 μg/L，如圖4(c)所示。Zhang等[14]研究表明，AOC質(zhì)量濃度低于135 μg/L時(shí)，可有效抑制異養(yǎng)菌再生。因此，J賓館建筑熱水系統(tǒng)生物穩(wěn)定性較差。如圖4(d)所示，MAP隨供水距離增加呈現(xiàn)平穩(wěn)降低的趨勢(shì)，熱水末梢MAP較低，可能與細(xì)菌生長(zhǎng)消耗MAP有關(guān)。水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖的影響將在2.4小節(jié)闡述。

J賓館熱水系統(tǒng)的異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)(HPC)如圖5所示。《生活熱水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 521—2018)中規(guī)定水中HPC≤500 CFU/mL，除冬季5層的末梢熱水HPC超標(biāo)(503 CFU/mL)之外，其余采樣點(diǎn)的HPC均符合規(guī)范要求，但末梢熱水的HPC顯著高于其余采樣點(diǎn)，應(yīng)引起關(guān)注。

圖5 J賓館供水系統(tǒng)中HPC變化

2.3 熱水系統(tǒng)生物膜及其對(duì)水樣中軍團(tuán)菌存在影響

在夏季采集生物膜樣品，采用q-PCR定量檢測(cè)建筑熱水系統(tǒng)中軍團(tuán)菌等細(xì)菌，結(jié)果如圖6所示。

圖6 J賓館供水系統(tǒng)生物膜中細(xì)菌的賦存水平

生物膜中軍團(tuán)菌的檢出率為100%，含量為3.08×104～1.07×107CFU/cm2。在冷水管壁生物膜中未檢出嗜肺軍團(tuán)菌；在熱交換器和熱水系統(tǒng)末梢管壁生物膜中均檢出嗜肺軍團(tuán)菌，與2.1小節(jié)中檢測(cè)結(jié)果一致，再次表明水溫是軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖的重要影響因素。

生物膜中的生物量較大，且有一部分持續(xù)處于VBNC狀態(tài)[6]，存在潛在微生物風(fēng)險(xiǎn)。飲用水管壁生物膜中軍團(tuán)菌可能引起感染的含量為7.8×105～7.8×108CFU/cm2[11]，由圖6可知，J賓館生物膜中的軍團(tuán)菌含量處于引起感染的濃度范圍內(nèi)，生物膜中的軍團(tuán)菌會(huì)釋放到水中，帶來水質(zhì)生物安全隱患。應(yīng)當(dāng)引起重視，及時(shí)采取相應(yīng)措施，如定期清洗水箱、熱交換器等，可以有效降低軍團(tuán)菌和嗜肺軍團(tuán)菌在熱水系統(tǒng)中的含量[15]。

2.4 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)軍團(tuán)菌生長(zhǎng)影響試驗(yàn)

本研究根據(jù)建筑熱水系統(tǒng)的實(shí)際水樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為探究不同溫度下營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響，進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)，各因素試驗(yàn)水平如表1所示。提取建筑熱水系統(tǒng)的細(xì)菌，按照表2進(jìn)行9組試驗(yàn)，采用q-PCR技術(shù)檢測(cè)9組試驗(yàn)培養(yǎng)后混合液的16S rRNA基因(表征總細(xì)菌)、嗜肺軍團(tuán)菌和軍團(tuán)菌，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)安排

圖7 不同溫度及營(yíng)養(yǎng)條件下總細(xì)菌、軍團(tuán)菌、嗜肺軍團(tuán)菌變化

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析表明，總細(xì)菌數(shù)影響因素排序?yàn)椋簻囟?氮源>磷源>碳源，其中溫度、氮源和磷源對(duì)總細(xì)菌的影響程度相差不大，而碳源的影響最小。在溫度為40 ℃下，總細(xì)菌的含量最低，為3.13×107～7.59×107copies/mL，溫度為60 ℃下總細(xì)菌含量最高，可達(dá)4.66×108copies/mL。這表明賓館熱水系統(tǒng)中存在部分耐熱的細(xì)菌，可在較高的熱水溫度(50～60 ℃)下生存，且生長(zhǎng)速率較快[16]，使總細(xì)菌數(shù)增高。

嗜肺軍團(tuán)菌影響因素排序?yàn)闇囟?碳源>磷源>氮源，溫度對(duì)嗜肺軍團(tuán)菌生長(zhǎng)的影響最大，其他3種因素對(duì)嗜肺軍團(tuán)菌的影響程度相差不大。

軍團(tuán)菌影響因素排序?yàn)闇囟?磷源>氮源>碳源，磷可能是軍團(tuán)菌屬某些其他菌群的限制性生長(zhǎng)因素。由不同試驗(yàn)組間的對(duì)比來看，嗜肺軍團(tuán)菌和軍團(tuán)菌屬的變化趨勢(shì)相似，表明軍團(tuán)菌屬的菌群受環(huán)境影響的情況趨于一致。軍團(tuán)菌與嗜肺軍團(tuán)菌最大值均為1號(hào)樣本，且與HPC的最佳組合保持一致，這可能是由于軍團(tuán)菌屬的細(xì)菌與水中其他多種微生物存在共生關(guān)系。

3 結(jié)論

本研究主要得出以下結(jié)論。

(1)J賓館建筑供水系統(tǒng)(給水系統(tǒng)和熱水系統(tǒng))軍團(tuán)菌檢出率為100%，給水系統(tǒng)中未檢出嗜肺軍團(tuán)菌，但熱水系統(tǒng)中嗜肺軍團(tuán)菌檢出率為50%，其中熱交換器中嗜肺軍團(tuán)菌污染最嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)采取增加清洗頻率等措施，保障熱水水質(zhì)生物安全。

(2)溫度和渾濁度是影響軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖的重要因素，建議適當(dāng)提高熱交換器熱水溫度、降低水的渾濁度以及在屋頂水箱加注適量消毒劑，以控制軍團(tuán)菌生長(zhǎng)繁殖。

(3)磷是軍團(tuán)菌的限制性生長(zhǎng)因素。