建筑供水管道材料对水化学性质、微生物群落和条件致病菌的交互影响机制研究进展

张 悦,胡宇星,周 爽,芮 旻,赵建夫,王 虹,*

(1.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092;2.同济大学医学院,上海 200092;3.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092)

建筑供水管网是配水系统的“最后一公里”。建筑供水管网具有水停滞时间长、温度相对较高和消毒剂浓度低等特点[1],为微生物生长提供了良好的条件。根据《建筑给水排水设计标准》(GB 50015—2019),建筑供水管网材料主要包括金属管材(如不锈钢、铜)和塑料管材[如无规共聚聚丙烯(PPR)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)等]。塑料管材成本低,易于切割安装,使用占比较高。铜管具有抗菌性,在国外的建筑物管网中常见,国内目前主要在机场、别墅等场景中有所应用。不锈钢管耐腐蚀、金属离子浸出量少,但造价高,随着高品质供水的普及,不锈钢管正成为新住宅用户的首选管材,未来将呈现较大增长趋势。建筑供水管道材料可通过浸出有机物和金属离子、与消毒剂反应[2]等方式影响水化学性质,直接(管材表面粗糙度、化学活性等)或间接(在水化学性质的作用下)地影响饮用水微生物载量和群落结构,甚至影响病原体定殖。

近年来,一类新型饮用水条件致病微生物(opportunistic pathogens,OPs)引起了国内外社会的关注。常见的OPs包括嗜肺军团菌、非结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌等原核微生物,以及棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等真核微生物。它们具有较强的消毒剂抗性,耐热(可在>60 ℃的热水中存活),适应寡营养水环境,具有在建筑供水管网中大量繁殖的潜势[3]。OPs可以通过呼吸吸入、皮肤接触等方式侵入人体,对老龄、免疫系统受损等易感人群构成严重的健康威胁[4]。本文综述了建筑供水管道材料对水化学性质和微生物群落结构的影响,着重分析管材通过直接、间接的方式对OPs定殖和生长的作用机制,并提出了深化认识供水系统中真核微生物群落结构多样性及新兴管材的微生物安全风险的研究需求。

1 管材对水化学性质的影响

1.1 有机物的释放

塑料管材由有机聚合物制成,由于制管工艺中抗氧化剂和增塑剂等添加剂的使用,管材表面可浸出有机磷[5]、有机碳等有机化合物[6](表1[7-11])。Lehtola等[12]通过中试研究发现,PE管出水磷的浓度相比于进水口明显增加,出水微生物可利用磷(MAP)浓度是进水口的10～15倍。Zhang等[13]在模拟管网中发现,PE管中的水在停滞48 h后,总有机碳(TOC)质量浓度从0.19 mg/L增加到0.34 mg/L。

表1 不同塑料管材添加剂及主要浸出有机物Tab.1 Main Leached Organic Compounds of Different Plastic Pipe Additives

不同塑料管材有机物浸出量和速率存在差异。PVC管中添加剂主要含金属稳定剂[14],而PE管和PPR管中含有较多的抗氧化剂、增塑剂等有机添加剂,因此,其浸出液有机物含量和种类较多[13](表1)。Heim等[15]对比了高密度聚乙烯(HDPE)管和氯化聚氯乙烯(cPVC)管中浸出的有机物含量,发现HDPE管水相TOC浓度是cPVC的2倍。Zhang等[8]在模拟管网中发现,停滞24 h,PE管的TOC迁移率是PPR管的3倍,是未增塑聚氯乙烯(uPVC)管的10倍。

部分研究[8]表明,随着塑料管材使用时间的增加,浸出到水中的TOC会显著减少。虽然早期TOC浓度下降较快,但塑料管材会长期保持一定浓度的有机物浸出。Lund等[16]发现,交联聚乙烯(PEX)管的有机物浸出量至少可以在12个月内相对稳定。

1.2 金属离子的浸出

建筑供水管网中铜管、不锈钢管及其他金属元件的使用,可导致金属离子的浸出。Inkinen等[17]对实际建筑供水管网的研究发现,铜管出水口的总铜含量是进口处的7.8倍。铜管中铜离子可通过电子转移反应,在形态变化(如:形成水垢)和传质过程中释放[18]。此外,氯消毒剂也可以与铜管反应生成氯化亚铜(Ⅰ)或氯化铜(Ⅱ),加速铜离子的浸出[19]。黄海[20]在氯消毒的模拟管网中发现,不锈钢管运行14个月后,铁离子质量浓度从0.05 mg/L上升到0.13 mg/L,且低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)的限值(0.3 mg/L)。不锈钢管浸出的铁离子较铸铁管少,这可能与不锈钢管性质较为稳定有关。然而,一旦不锈钢管表面的氧化铬膜被破坏,消毒剂会与不锈钢管发生反应导致局部腐蚀,生成亚铁/铁氧化物和氢氧化物[21]。塑料管材上的黄铜部件由于脱锌腐蚀反应会浸出锌[22]。铜/铅复合管和PVC管(含约1%的铅)中可浸出少量的铅[23]。Lasheen等[24]发现,停滞2周时,PVC管中铅离子的浸出量高达0.09 mg/L,远高于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)的限值(0.01 mg/L)。由于铅离子超标易引起铅中毒,目前,我国已禁止给水管道使用含铅管材及管件。

1.3 消毒剂的降解

供水管网通常使用氯、氯胺等消毒剂控制饮用水微生物数量。管材管壁腐蚀产生的结节、生物膜,以及管材中浸出的金属离子和有机物均能与消毒剂反应,加速消毒剂降解[25]。

不同管网材料与消毒剂的反应速率存在较大差异。多项研究[19,26-27]表明,相比于塑料管材,铜管更容易加速消毒剂的降解。Lehtola等[19]在模拟管网中发现,相比于进水,PE管出水的氯含量下降31%,铜管出水的氯浓度下降78%。铜管上腐蚀产物(如氢氧化铜)可与氯胺、氯发生反应,加速消毒剂的降解[28]。塑料管(如PEX管)中余氯降解可能与管材浸出的抗氧化剂或聚合物有关[15]。不锈钢管由于其表面具有一层抗腐蚀的氧化铬膜,有良好的耐腐蚀性,不易与消毒剂发生反应,但一旦产生局部破坏,会发生点蚀[29],进而加速消毒剂降解[30]。

可见,管材通过浸出有机物和金属离子、加速消毒剂降解,对水化学性质产生影响。然而,目前尚缺乏在管材影响下对水化学性质进行短期或长期的风险评估,值得今后进一步加强研究讨论,以确保水质的稳定和安全。

2 管材对微生物载量和群落组成的影响

2.1 微生物载量

因不同管道材料的物理界面(粗糙度)、化学活性等存在差异,细菌在其表面黏附和生长能力也有所不同[31]。多项研究[12,32]表明,塑料管(如PPR、PE等)的细菌载量显著大于金属管(如铜管、不锈钢管)。Lehtola等[12]利用中试配水系统研究铜和PE管表面生物膜的形成速度,发现PE管上生物膜形成速度较铜管快,在37 d内微生物量快速增加并达到亚稳定状态。Shan等[32]在模拟管网中发现,PPR管生物膜生物量始终显著高于不锈钢管。一方面,塑料管道表面自身性质有利于细菌附着和生物膜的形成[31]。另一方面,塑料管道表面容易浸出可降解有机物,为细菌提供额外营养源。不锈钢管表面含钼基氧化物,具有抗菌性[30],能抑制细菌生长。同时,不锈钢管具有亲水性[25],可以减少细菌黏附。Learbuch等[33]在模拟管网中,对比PVC管和铜管生物量时发现,铜管生物膜上生物量最低。一般认为,铜管表面具有较高的抗菌性,能减缓生物膜的形成[34]。铜使细菌失活机制的假设有两种[35]:一是铜离子与带负电荷的细胞膜相互作用导致细胞裂解;二是铜诱发氧化还原反应(亚铜离子和铜离子之间的价态转化)导致细胞氧化损伤。然而,长时间管网运行可能使铜管失去抑菌效果。研究[36]表明,虽然铜管使用前期生物膜形成较为缓慢,但随着时间的流逝(100～300 d),其表面生物载量与其他材料(例如不锈钢和塑料)差异不大。这可能与生物膜中的细菌产生对铜抗性有关。

2.2 群落结构多样性

管道材料除了影响微生物载量外,还可以影响群落结构的多样性。不同管材的生物膜中微生物群落结构存在较大差异(表2)。例如,Ren等[37]在实际供水管网中的研究发现,α-变形菌在不锈钢管中相对丰度是PVC管中的3倍,不锈钢管Shannon指数(1.44)低于PVC管(2.16)。研究[38]表明,微生物在管道中呈现非均质分布,由于重力,管道底部存在沉积物,同一管段的上、下部分的生物膜微生物群落结构多样性存在差异。此外,管材底部的沉积物可提供缺氧微环境,更有利于厌氧微生物(如Holophagafetida)的定殖[38]。

表2 管材对微生物群落结构多样性的影响Tab.2 Effect of Pipe Materials on Microflora Structure

2.3 具有管网腐蚀作用的特定微生物的富集

金属管材有利于某些特定微生物的富集,引起微生物介导的管网腐蚀和物质溶出。例如,德氏食酸菌、克氏微球菌等细菌容易生长在铜管生物膜中,诱导铜管腐蚀,促进铜离子的浸出[43]。铁质管材的腐蚀区域易富集铁氧化菌、铁还原菌等。假单胞菌属和丝状细菌等铁氧化菌多在含铁管材(不锈钢管和球墨铸铁管)中检出,可加剧管道腐蚀和铁离子结节形成[44]。硫酸盐还原菌是一类厌氧细菌,多生长在锈垢和沉淀物内部,通过将硫酸盐还原为硫化物,导致铜管、不锈钢管发生点蚀或厌氧腐蚀[29]。硫酸盐还原菌和铁氧化细菌之间的相互作用也可以加速铁管腐蚀[5]。

3 管材对OPs的影响

OPs是供水管网土著微生物,具有耐高温、抗消毒剂等特性,在建筑供水管道中可自然定殖、持续存在和繁殖[45]。不同的OPs之间还存在复杂的生态学相互作用。例如,棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等阿米巴原虫可以作为军团菌、非结核分枝杆菌的宿主,提高它们在饮用水中的抗消毒剂能力、繁殖速率和致病性[46-47]。建筑供水管网管材的多样化造就了复杂的管网微环境,可对OPs的定殖和生长产生影响(图1)。

图1 建筑供水管网微环境对OPs生长的影响Fig.1 Influence of Building Plumbing Microenvironment on OPs Growth

3.1 管材对OPs的直接影响

塑料管材能释放有机物,为OPs生长提供营养物质。PVC管道可以浸出60～50 000 μg/L的TOC,其中约50%是可同化有机碳[6]。研究[48]表明,相比于金属管道,塑料管道更容易促进OPs生长。例如,Mullis等[49]在生物膜环形反应器中发现,相比于玻璃和铜,PEX上黏附的鸟分枝杆菌数量更多。但由于OPs属寡营养微生物,建筑供水管网中低有机碳浓度的环境也不会限制所有OPs的生长。例如,鸟分枝杆菌可以在质量浓度低至50 μg/L的可同化有机碳条件下生存[50]。

铜管浸出的可溶性铜离子具有抗菌性,能抑制军团菌[33,51]、铜绿假单胞菌[52]和非结核分枝杆菌[49]的生长,或诱导使其处于活的但不可培养状态(viable but nonculturable,VBNC)[53]。Dwidjosiswojo等[54]研究铜管中铜离子的浸出对铜绿假单胞菌的影响时发现,铜绿假单胞菌在饮用水常见的铜质量浓度下(1 mg/L),24 h后会丧失可培养能力,但一旦铜离子被去除,可完全恢复可培养性和细胞毒性。然而,水化学性质[如天然有机物(NOM)、磷酸盐浓度]会通过沉淀和络合作用,降低铜管中可溶性铜离子的含量,减弱铜管的抗菌性。Song等[55]研究发现,在pH值=7时,添加3 mg/L磷酸盐和5 mg/L NOM,铜离子对军团菌的抗菌作用分别降低了4倍和7倍。不锈钢管在建筑供水管网中的使用频率逐年增多,目前仅有少量研究报道了不锈钢管对微生物群落结构、生物量的影响,并未关注不锈钢管对OPs的影响。

3.2 管材与其他因素相互作用对OPs的影响

管网环境错综复杂,如长停滞时间、水温变化、消毒剂降解等因素均可能与管材发生交互作用,进而影响OPs的定殖和生长。此外,实际供水管网中,供水主管网管材也会对下游建筑供水管网管材中OPs的定殖产生影响。管道材料和不同类型消毒剂的相互作用对OPs影响显著。Buse等[48]在生物膜环形反应器的研究中发现,氯胺消毒剂对铜管生物膜上嗜肺军团菌的灭活作用优于PVC,使用氯时则相反。一方面,该反应器中铜管生物膜比PVC厚,而氯胺对生物膜的渗透力更强;另一方面,相比于PVC管,氯与铜管腐蚀产物发生反应加速消毒剂降解[28]。Norton等[56]在中试系统中研究发现,在未发生腐蚀的铜管生物膜上,氯消毒对鸟分枝杆菌的控制效果更好;而在发生管道腐蚀的铁管上,氯胺对鸟分枝杆菌的控制效果较好。这与管材腐蚀产物对自由氯消耗量较大有关[26]。一般而言,氯胺渗透生物膜的能力比氯强,但氯能更有效地灭活水相和生物膜表面附近的微生物[48]。建筑供水管网存在冷、热水管线,温度变化范围大。OPs是喜温微生物,与冷水系统相比,在特定温度和流速下,热水系统的OPs浓度往往更高[17]。温度的变化也可影响铜管中OPs的生长潜势。Proctor等[57]研究不同温度(32～53 ℃)下铜管和PEX管对OPs影响时发现,当温度高于41 ℃,铜管中嗜肺军团菌数量显著增多。这是由于铜管中浸出的具有抗菌性的可溶性铜随温度的升高而减少,无法抑制嗜肺军团菌的生长。

另外,上游供水主管网管材[58]、水停滞时间[59]等因素也会影响建筑供水管网中OPs的定殖。Lu等[60]研究发现,上游铜管降低了下游生物膜中的微生物多样性,促进了嗜肺军团菌的定殖。也有研究[61]发现,耐腐蚀塑料代替上游旧管道,可显著性减少下游分枝杆菌的数量。Ley等[62]在一栋绿色建筑的实际采样中发现,PEX管中军团菌数量随着水停滞时间的增加而增加。

4 总结与展望

管材是影响饮用水化学性质和微生物学特征的重要工程因子。在建筑供水管网系统中,管材在停滞时间、温度、消毒剂等因素的影响下,形成了复杂的微环境,对微生物群落结构和OPs的定殖产生了显著的影响。目前,虽然各国学者针对管材对OPs的影响这一研究方向展开了不同程度的探索,但仍存在许多研究空白。例如,不锈钢管在建筑供水管网中的使用频率逐年增多,但尚未有研究关注不锈钢管中OPs的生长特性。鉴于近年不锈钢管在高品质供水小区的大规模应用,评估不锈钢管环境条件下微生物,尤其是OPs的再生长潜能具有实际研究价值。

现有研究多针对于原核微生物群落进行分析,对真核微生物的探索较少。然而,在饮用水系统中广泛存在的真核微生物,如贾第鞭毛虫、隐孢子虫以及阿米巴原虫等原生动物等,可对人体造成健康威胁,目前针对管材对真核微生物群落结构的研究较少。此外,现有研究已证明,真核微生物会影响原核微生物生长和繁殖,如自由生活阿米巴可作为军团菌、分枝杆菌等的宿主以躲避消毒剂的灭活作用。因此,有必要针对阿米巴原虫等真核微生物展开研究,探讨管材影响下阿米巴原虫定殖能力、群落组成,以及与阿米巴共生的军团菌等OPs导致的致病风险,进而完善饮用水生物安全评估框架以保障饮用水安全。