摘要
供水管網中的耐氯菌存在廣泛、適應性強。耐氯菌的控制是供水管網水質安全保障的核心問題之一。通過對供水管網中不同輸送距離的耐氯菌生物種類多樣性進行分析研究,同時基于實驗室自制管道模擬裝置,從管材、余氯濃度、菌落形態以及細菌種類等方面對分離出的耐氯菌進行研究。結果表明供水管網始端與中途耐氯菌的群落結構組成相差不大，但末梢處的耐氯菌群落結構組成存在較大差異。在抗生素的存在下，有些耐氯菌對抗生素具有耐藥性，耐藥性可以在不同的耐氯菌之間發生轉移，導致原本非耐藥的耐氯致病菌呈現出耐藥性，最終導致耐氯致病菌對抗生素產生耐藥性，對人類的健康具有潛在風險。最后，從耐氯菌對消毒劑和抗生素抗性關系的角度，分析與展望了未來供水管網水質安全保障技術發展趨勢。
供水管網是城市的重要基礎設施，是城市水系統的重要組成部分。截至2019年，我國城鎮供水管道長度已逾190萬km。據不完全統計，我國約1/3以上的供水管網存在老舊失修、超期服役、材質落后、漏失、水質下降等問題。在我國城鎮化進程高速推進和人民健康優先發展戰略深入實施的背景下，持續開展供水管網相關研究工作，進一步發展其理論與技術對于保障城市供水安全具有十分重要的意義。
供水管網安全保障目標包括水量、水壓、水質與技術經濟等。目前的供水管網安全保障技術主要為:
(1)改善供水管道衛生狀況；
(2)通過管網建模對供水管網壓力與水質進行管理；
(3)區塊化管理；
(4)供水管網漏損控制；
(5)加強運行管理。
一、供水管網中的耐氯菌
供水管網通常要確保一定的剩余消毒劑濃度來保障管網水質安全，但管網中的部分細菌對于氯消毒劑具有天然的抗性，即常規消毒條件下無法滅活此類細菌，人們將這類細菌定義為“耐氯菌”。
1.1供水管網中耐氯菌生物多樣性分布規律
對從北方某實際管網中分離出的細菌研究發現，供水管網中常見的耐氯菌種類很多，包括假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動桿菌屬、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，不乏對人類健康具有潛在風險的致病菌。隨著輸水距離的增加，管網中的微生物種類也相應增加，供水管網的種群多樣性增加。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、管網中間與管網末梢處都出現了少動鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、德氏食酸菌屬(Acidovorax)，說明其應當具有一定耐氯性且在供水管網中適應性強、存在廣泛。因此，耐氯菌的控制是供水管網水質安全保障的核心問題之一。
研究發現，距離加氯點越遠，管網中水的停留時間越長，管網中微生物種類和數量越多，生物膜中微生物的數量明顯高于主體水中微生物數量。鞘脂單胞菌屬既存在于主體水中又存在于管壁生物膜中，為管網中段處的優勢菌；管網末梢處的優勢菌為假單胞菌屬和紫色桿菌屬。另外，供水管網中耐氯菌生物多樣性大小為管網末梢>管網中途>管網始端，管網始端與中途耐氯菌的群落結構組成相差不大，但兩處和末梢處的耐氯菌細菌群落結構組成存在較大差異。
通過在實驗室自制管道模擬裝置，從管材、余氯濃度、菌落形態、細菌形狀以及細菌種類等方面對分離出的耐氯菌的研究結果中發現以下規律。
(1)PE管中耐氯菌的數目較少，鑄鐵以及不銹鋼管中分離的耐氯菌數目較多。
(2)革蘭氏陰性菌是各套裝置生物膜中的主要組成菌種，主要原因可能與細菌的黏附能力有關，革蘭氏陽性菌雖然有一層能夠抵御余氯侵害的厚實的細胞壁，但是其黏附能力較差，不易黏附在管壁上生長。
(3)供水管網管壁生物膜中分離到的大部分是桿菌，桿菌長度大多不超過1μm，只有極少量桿菌長度在1μm以上，球菌體積直徑不超過0.5μm。供水管網為寡營養環境，超微細菌(直徑小于0.3μm)在這種環境中占有優勢地位。
(4)3種管材分離到的細菌菌屬差別很大，僅有鞘脂單胞菌屬同時出現在3種管材中，鞘脂單胞菌屬已經證明具有很強的耐氯性能，能夠在4mg/L的余氯質量濃度下存活240min，而滅活率僅有5%。
1.2基于管道生長環構建催化氧化體系控制耐氯菌
供水管網作為一個復雜的、龐大的供水體系，隨著運行年份的增加，管網內壁附著厚厚的生長環，同時進行著物理、化學反應循環，所以供水管網中的生長環是一個重要的信息傳播通道，也是耐氯菌與鹵代有機污染物初級賦存的重要場所，如圖1所示。以生長環內原生Fe、Mn礦物為催化劑，構建供水管網“原位類Fenton催化氧化體系”、“雙金屬雙氧化體系”，降解有機污染物，控制生物膜上耐氯菌滋生。
二、供水管網中的抗生素污染風險
近年來，大量抗生素施用造成天然水體中抗生素濃度累積，傳統的水處理工藝不能將其完全去除，殘余抗生素進入供水管網，已有資料表明，供水管網中有多種抗生素被檢出。隨著細菌對抗生素產生耐藥性分子機制研究的不斷深入，已有研究者開始關注抗生素與供水管網生物膜發生交互作用，進而引發菌體耐藥性的問題。而在抗生素的選擇壓力下，管網耐氯菌是否兼具耐藥性、耐藥性疊加作用是否會強化菌體耐氯性等新的問題逐漸凸顯，而在這方面的研究尚未見報道。
2.1耐氯菌對抗生素的耐受性
選擇供水管網中常見耐氯菌:枯草芽孢桿菌和鞘氨醇單胞桿菌作為研究對象，探究管網中典型耐氯菌對抗生素的耐受性。通過qPCR等技術手段，確定抗生素抗性基因的豐度變化情況；通過耐氯菌細胞膜疏水性、脂肪酸含量、生長曲線及其對氯消毒劑抗性等情況的測定和分析，探究抗生素對耐氯菌結構的影響。結果表明，抗生素對耐氯菌的生長具有顯著影響:抗生素的存在使枯草芽孢桿菌更快地進入對數增長期，當馴化后的細菌仍處在對數增長期時，未經馴化的細菌已經進入穩定期和衰亡期。可見，抗生素的存在會增強耐氯菌對氯消毒劑的抗性，增強細菌生長代謝能力。
兩種細菌對其中某些抗生素具有天然的抗性，鞘氨醇單胞菌對青霉素、頭孢氨芐、頭孢唑林、頭孢呋辛、紅霉素具有耐藥性；枯草芽孢桿菌對青霉素抗性最強，對于頭孢呋辛和哌拉西林抗性中等，對于其他種類抗生素沒有抗性。與枯草芽孢桿菌相比，鞘氨醇單胞菌作為供水管網中更常見的耐氯菌，其對消毒劑的抗性機制可能與其對抗生素產生耐藥性也有很大關系，故其所產生抗性的抗生素種類多于枯草芽孢桿菌。
已有研究表明，如果微生物對氯消毒劑的抗性強，那么相應地它對抗生素的抗性能力也強，在低濃度的氯消毒劑壓力下，微生物之間進行可移動基因元件轉移的頻率會有所增加。此外，有報道指出抗性細菌經過供水管網的運輸，恢復了多重耐藥能力，原因是供水管網內壁的生物膜促進了耐藥基因在細菌間的水平轉移，從而在一定程度上恢復了耐藥細菌的多重耐藥能力。后續研究可以考慮供水管網體系中余氯的存在對于耐氯菌的多重耐藥性的影響。
通過對兩種細菌隨消毒時間的存活率進行擬合，得到鞘氨醇單胞菌和枯草芽孢桿菌的去除曲線的動力學模擬曲線，兩株菌的去除反應均符合二級指數方程，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看，都是隨著時間的增加，曲線呈下降趨勢。但隨著消毒時間的增加，菌體被進一步滅活，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的消毒時間內，雖然鞘氨醇單胞桿菌所受消毒劑質量濃度為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。說明鞘氨醇單胞桿菌更易被滅活，究其原因，可能與兩種細菌所受抗生素濃度不同有關，鞘氨醇單胞桿菌所在的抗生素濃度遠遠低于枯草芽孢桿菌，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移
團隊還研究了抗生素抗性基因的轉移，將未經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，將未經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。篩選分離后，得到純枯草芽孢桿菌和鞘氨醇單胞菌菌液，分別進行藥敏試驗。
試驗結果充分顯示，細菌對抗生素的抗性可以在不同種類細菌之間水平轉移，即如果某種細菌攜帶抗性基因，那么在細菌的代謝過程中，該抗生素抗性基因可以游離出細菌體外，通過外排泵等途徑進入其他細菌體內，實現抗生素抗性基因的水平轉移，非抗性的病原菌可能會變成抗性細菌。可見，抗生素的存在使耐氯菌具有轉變為耐藥菌的風險，且這種耐藥性可以在不同種類的耐氯菌之間轉移。
三、結論
初步研究表明，供水管網始端與中途耐氯菌的群落結構組成相差不大，但末梢處的耐氯菌群落結構組成存在較大差異。在抗生素的存在下，有些耐氯菌對抗生素具有耐藥性，耐藥性可以在不同的耐氯菌之間發生轉移，導致原本非耐藥的耐氯致病菌呈現出耐藥性，最終導致耐氯致病菌對抗生素產生耐藥性，對人類的健康具有潛在風險。
四、展望
由于供水管網內的環境有利于細菌進入活的但非可培養(VBNC)狀態，此時細菌失去致病力，但復蘇后會重新獲得致病力，因此，供水管網中VBNC狀態下的耐氯菌對抗生素的耐藥性狀況及相關抗性基因轉移機理仍有待深入探討。為了保障供水管網水質安全，降低耐氯菌耐藥性轉移風險，也可考慮如下技術手段。
(1)對出廠水中BDOC等關鍵水質指標進行控制，在供水管網前端進行源頭控制。
(2)采用新型消毒劑或聯合消毒等方式，優化現有消毒方式。細菌自身特點對耐氯性有很大影響，所以有針對性地選擇消毒劑種類、二次消毒方式、二次消毒劑投加點，是有效保障管網輸送過程中水質安全的重要方法，在供水管網輸送飲用水過程中對細菌進行抑制。
(3)采用末端水質提升技術，在用戶端進行控制，在供水管網末端對抗生素耐藥風險進行削減。