摘要
供水管网中的耐氯菌存在广泛、适应性强。耐氯菌的控制是供水管网水质安全保障的核心问题之一。通过对供水管网中不同输送距离的耐氯菌生物种类多样性进行分析研究,同时基于实验室自制管道模拟装置,从管材、余氯浓度、菌落形态以及细菌种类等方面对分离出的耐氯菌进行研究。结果表明供水管网始端与中途耐氯菌的群落结构组成相差不大，但末梢处的耐氯菌群落结构组成存在较大差异。在抗生素的存在下，有些耐氯菌对抗生素具有耐药性，耐药性可以在不同的耐氯菌之间发生转移，导致原本非耐药的耐氯致病菌呈现出耐药性，最终导致耐氯致病菌对抗生素产生耐药性，对人类的健康具有潜在风险。最后，从耐氯菌对消毒剂和抗生素抗性关系的角度，分析与展望了未来供水管网水质安全保障技术发展趋势。
供水管网是城市的重要基础设施，是城市水系统的重要组成部分。截至2019年，我国城镇供水管道长度已逾190万km。据不完全统计，我国约1/3以上的供水管网存在老旧失修、超期服役、材质落后、漏失、水质下降等问题。在我国城镇化进程高速推进和人民健康优先发展战略深入实施的背景下，持续开展供水管网相关研究工作，进一步发展其理论与技术对于保障城市供水安全具有十分重要的意义。
供水管网安全保障目标包括水量、水压、水质与技术经济等。目前的供水管网安全保障技术主要为:
(1)改善供水管道卫生状况；
(2)通过管网建模对供水管网压力与水质进行管理；
(3)区块化管理；
(4)供水管网漏损控制；
(5)加强运行管理。
一、供水管网中的耐氯菌
供水管网通常要确保一定的剩余消毒剂浓度来保障管网水质安全，但管网中的部分细菌对于氯消毒剂具有天然的抗性，即常规消毒条件下无法灭活此类细菌，人们将这类细菌定义为“耐氯菌”。
1.1供水管网中耐氯菌生物多样性分布规律
对从北方某实际管网中分离出的细菌研究发现，供水管网中常见的耐氯菌种类很多，包括假单胞菌属、芽孢杆菌属、不动杆菌属、鞘脂菌属、鞘脂单胞菌、葡萄球菌属、分歧杆菌属、弗朗西斯菌属、甲基杆菌属、莫拉克斯氏菌属等，其中，不乏对人类健康具有潜在风险的致病菌。随着输水距离的增加，管网中的微生物种类也相应增加，供水管网的种群多样性增加。管壁生物膜中的微生物种群多样性大于主体水中微生物种群多样性。清水池、管网中间与管网末梢处都出现了少动鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、德氏食酸菌属(Acidovorax)，说明其应当具有一定耐氯性且在供水管网中适应性强、存在广泛。因此，耐氯菌的控制是供水管网水质安全保障的核心问题之一。
研究发现，距离加氯点越远，管网中水的停留时间越长，管网中微生物种类和数量越多，生物膜中微生物的数量明显高于主体水中微生物数量。鞘脂单胞菌属既存在于主体水中又存在于管壁生物膜中，为管网中段处的优势菌；管网末梢处的优势菌为假单胞菌属和紫色杆菌属。另外，供水管网中耐氯菌生物多样性大小为管网末梢>管网中途>管网始端，管网始端与中途耐氯菌的群落结构组成相差不大，但两处和末梢处的耐氯菌细菌群落结构组成存在较大差异。
通过在实验室自制管道模拟装置，从管材、余氯浓度、菌落形态、细菌形状以及细菌种类等方面对分离出的耐氯菌的研究结果中发现以下规律。
(1)PE管中耐氯菌的数目较少，铸铁以及不锈钢管中分离的耐氯菌数目较多。
(2)革兰氏阴性菌是各套装置生物膜中的主要组成菌种，主要原因可能与细菌的黏附能力有关，革兰氏阳性菌虽然有一层能够抵御余氯侵害的厚实的细胞壁，但是其黏附能力较差，不易黏附在管壁上生长。
(3)供水管网管壁生物膜中分离到的大部分是杆菌，杆菌长度大多不超过1μm，只有极少量杆菌长度在1μm以上，球菌体积直径不超过0.5μm。供水管网为寡营养环境，超微细菌(直径小于0.3μm)在这种环境中占有优势地位。
(4)3种管材分离到的细菌菌属差别很大，仅有鞘脂单胞菌属同时出现在3种管材中，鞘脂单胞菌属已经证明具有很强的耐氯性能，能够在4mg/L的余氯质量浓度下存活240min，而灭活率仅有5%。
1.2基于管道生长环构建催化氧化体系控制耐氯菌
供水管网作为一个复杂的、庞大的供水体系，随着运行年份的增加，管网内壁附着厚厚的生长环，同时进行着物理、化学反应循环，所以供水管网中的生长环是一个重要的信息传播通道，也是耐氯菌与卤代有机污染物初级赋存的重要场所，如图1所示。以生长环内原生Fe、Mn矿物为催化剂，构建供水管网“原位类Fenton催化氧化体系”、“双金属双氧化体系”，降解有机污染物，控制生物膜上耐氯菌滋生。
二、供水管网中的抗生素污染风险
近年来，大量抗生素施用造成天然水体中抗生素浓度累积，传统的水处理工艺不能将其完全去除，残余抗生素进入供水管网，已有资料表明，供水管网中有多种抗生素被检出。随着细菌对抗生素产生耐药性分子机制研究的不断深入，已有研究者开始关注抗生素与供水管网生物膜发生交互作用，进而引发菌体耐药性的问题。而在抗生素的选择压力下，管网耐氯菌是否兼具耐药性、耐药性叠加作用是否会强化菌体耐氯性等新的问题逐渐凸显，而在这方面的研究尚未见报道。
2.1耐氯菌对抗生素的耐受性
选择供水管网中常见耐氯菌:枯草芽孢杆菌和鞘氨醇单胞杆菌作为研究对象，探究管网中典型耐氯菌对抗生素的耐受性。通过qPCR等技术手段，确定抗生素抗性基因的丰度变化情况；通过耐氯菌细胞膜疏水性、脂肪酸含量、生长曲线及其对氯消毒剂抗性等情况的测定和分析，探究抗生素对耐氯菌结构的影响。结果表明，抗生素对耐氯菌的生长具有显著影响:抗生素的存在使枯草芽孢杆菌更快地进入对数增长期，当驯化后的细菌仍处在对数增长期时，未经驯化的细菌已经进入稳定期和衰亡期。可见，抗生素的存在会增强耐氯菌对氯消毒剂的抗性，增强细菌生长代谢能力。
两种细菌对其中某些抗生素具有天然的抗性，鞘氨醇单胞菌对青霉素、头孢氨苄、头孢唑林、头孢呋辛、红霉素具有耐药性；枯草芽孢杆菌对青霉素抗性最强，对于头孢呋辛和哌拉西林抗性中等，对于其他种类抗生素没有抗性。与枯草芽孢杆菌相比，鞘氨醇单胞菌作为供水管网中更常见的耐氯菌，其对消毒剂的抗性机制可能与其对抗生素产生耐药性也有很大关系，故其所产生抗性的抗生素种类多于枯草芽孢杆菌。
已有研究表明，如果微生物对氯消毒剂的抗性强，那么相应地它对抗生素的抗性能力也强，在低浓度的氯消毒剂压力下，微生物之间进行可移动基因元件转移的频率会有所增加。此外，有报道指出抗性细菌经过供水管网的运输，恢复了多重耐药能力，原因是供水管网内壁的生物膜促进了耐药基因在细菌间的水平转移，从而在一定程度上恢复了耐药细菌的多重耐药能力。后续研究可以考虑供水管网体系中余氯的存在对于耐氯菌的多重耐药性的影响。
通过对两种细菌随消毒时间的存活率进行拟合，得到鞘氨醇单胞菌和枯草芽孢杆菌的去除曲线的动力学模拟曲线，两株菌的去除反应均符合二级指数方程，如式(1)。
y=A1×exp(-x/t1)+A2×exp(-x/t2)+y0(1)
从鞘氨醇单胞杆菌和枯草芽孢杆菌的去除曲线来看，都是随着时间的增加，曲线呈下降趋势。但随着消毒时间的增加，菌体被进一步灭活，鞘氨醇单胞杆菌的灭活速率有所下降，灭活曲线变得平缓；而枯草芽孢杆菌灭活速率下降的幅度较大。在10min的消毒时间内，虽然鞘氨醇单胞杆菌所受消毒剂质量浓度为2mg/L，低于枯草芽孢杆菌所受的消毒剂浓度，但其灭活率约为2.18log，高于枯草芽孢杆菌的0.94log的灭活率。说明鞘氨醇单胞杆菌更易被灭活，究其原因，可能与两种细菌所受抗生素浓度不同有关，鞘氨醇单胞杆菌所在的抗生素浓度远远低于枯草芽孢杆菌，所以枯草芽孢杆菌更耐抗生素，这也可能增加其对消毒剂的耐受性，使其更难被灭活。
2.2抗生素抗性基因的转移
团队还研究了抗生素抗性基因的转移，将未经驯化的枯草芽孢杆菌和低浓度抗生素驯化的鞘氨醇单胞菌混合培养，将未经驯化的鞘氨醇单胞菌和高浓度抗生素驯化的枯草芽孢杆菌混合培养。筛选分离后，得到纯枯草芽孢杆菌和鞘氨醇单胞菌菌液，分别进行药敏试验。
试验结果充分显示，细菌对抗生素的抗性可以在不同种类细菌之间水平转移，即如果某种细菌携带抗性基因，那么在细菌的代谢过程中，该抗生素抗性基因可以游离出细菌体外，通过外排泵等途径进入其他细菌体内，实现抗生素抗性基因的水平转移，非抗性的病原菌可能会变成抗性细菌。可见，抗生素的存在使耐氯菌具有转变为耐药菌的风险，且这种耐药性可以在不同种类的耐氯菌之间转移。
三、结论
初步研究表明，供水管网始端与中途耐氯菌的群落结构组成相差不大，但末梢处的耐氯菌群落结构组成存在较大差异。在抗生素的存在下，有些耐氯菌对抗生素具有耐药性，耐药性可以在不同的耐氯菌之间发生转移，导致原本非耐药的耐氯致病菌呈现出耐药性，最终导致耐氯致病菌对抗生素产生耐药性，对人类的健康具有潜在风险。
四、展望
由于供水管网内的环境有利于细菌进入活的但非可培养(VBNC)状态，此时细菌失去致病力，但复苏后会重新获得致病力，因此，供水管网中VBNC状态下的耐氯菌对抗生素的耐药性状况及相关抗性基因转移机理仍有待深入探讨。为了保障供水管网水质安全，降低耐氯菌耐药性转移风险，也可考虑如下技术手段。
(1)对出厂水中BDOC等关键水质指标进行控制，在供水管网前端进行源头控制。
(2)采用新型消毒剂或联合消毒等方式，优化现有消毒方式。细菌自身特点对耐氯性有很大影响，所以有针对性地选择消毒剂种类、二次消毒方式、二次消毒剂投加点，是有效保障管网输送过程中水质安全的重要方法，在供水管网输送饮用水过程中对细菌进行抑制。
(3)采用末端水质提升技术，在用户端进行控制，在供水管网末端对抗生素耐药风险进行削减。