孫堅(jiān)偉

(上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127)

飲用水水質(zhì)對人類健康至關(guān)重要，衛(wèi)生、安全的飲用水主要依賴于水源保護(hù)、凈化處理、消毒和安全輸配。世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查指出，全球88%的疾病歸咎于不安全的飲用水以及缺乏相關(guān)衛(wèi)生設(shè)施，與飲用水有關(guān)的衛(wèi)生問題大多來自微生物(細(xì)菌、病毒、原生動物或其他生物)的污染。飲用水安全問題是我國當(dāng)前重要的民生問題，與居民生活和健康息息相關(guān)。經(jīng)水廠處理后的自來水雖達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2016)的各項(xiàng)要求，但水中仍含有微量的微生物、有機(jī)物和無機(jī)鹽等物質(zhì)進(jìn)入供水管網(wǎng)。供水管網(wǎng)水中存在的微生物及有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)，不僅導(dǎo)致管網(wǎng)管壁生物膜生長，而且可能引起管材生物腐蝕、供水系統(tǒng)末梢水質(zhì)劣變，產(chǎn)生生物安全隱患[1]。隨著供水管網(wǎng)輸送距離的增加，水中菌落總數(shù)、渾濁度等隨之增加，水質(zhì)生物安全性呈明顯下降趨勢，導(dǎo)致水質(zhì)出現(xiàn)“二次污染”，管網(wǎng)中的消毒劑、營養(yǎng)物質(zhì)、管道材料、水力條件等與水中細(xì)菌的再生長有關(guān)，同時(shí)，這些環(huán)境因素會改變水中微生物的群落組成，從而影響水中微生物的存在水平[2]。對供水系統(tǒng)中微生物水平的準(zhǔn)確評估是評判水質(zhì)生物安全的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的飲用水生物安全檢測方法包括菌落總數(shù)、異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)(HPC)、總大腸菌群等。而隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，基于靈敏的分子生物學(xué)檢測方法，如三磷酸腺苷(ATP)生物熒光檢測和熒光定量PCR等[3]、細(xì)胞生物學(xué)檢測方法流式細(xì)胞術(shù)(FCM)等可對水質(zhì)生物安全進(jìn)行更全面的表征。各種不同的檢測方法特征如表1所示，其中ATP檢測法基于微生物以ATP的形式捕獲并儲存從食物和光源獲取的能量，ATP是微生物中的基本能量單位，可以作為水中總微生物量的指標(biāo)[4]。傳統(tǒng)的HPC和細(xì)菌平板計(jì)數(shù)檢測方法只能反映水中微生物的一小部分，且需要較長的培養(yǎng)時(shí)間。由于ATP存在于所有的細(xì)胞內(nèi)，對其進(jìn)行檢測可以更全面地反映水中所含活性生物性顆粒的濃度，且此方法與其他分子生物學(xué)檢測方法相比具有一定的優(yōu)勢，可以在現(xiàn)場檢測，時(shí)間只需要幾分鐘。

表1 常見的供水系統(tǒng)微生物檢測方法Tab.1 Common Microbiological Detection Methods for Water Supply Systems

ATP生物熒光法檢測供水系統(tǒng)中生物安全性的方法反映的微生物水平具有全面性好和時(shí)效性高的特點(diǎn)，在供水系統(tǒng)中進(jìn)行水質(zhì)安全評估具有較好的應(yīng)用價(jià)值，而目前國內(nèi)較少同時(shí)采用ATP檢測方法及傳統(tǒng)培養(yǎng)法對供水系統(tǒng)進(jìn)行全面評估的報(bào)道。本研究采用ATP及其他傳統(tǒng)檢測方法對上海市某片區(qū)供水系統(tǒng)生物安全進(jìn)行調(diào)研，對該檢測方法的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析和評估。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)的設(shè)置

1.1.1 市政供水采樣點(diǎn)

選取上海某地區(qū)出廠水、管網(wǎng)市政供水及二次供水采樣點(diǎn)。

1.1.2 供水小區(qū)內(nèi)部取樣點(diǎn)

在水廠附近、管網(wǎng)中段、末梢，分別選擇供水模式為水池+變頻供水和水池+水箱供水的小區(qū)，設(shè)置小區(qū)內(nèi)部采樣點(diǎn)。

在水池+變頻供水小區(qū)中選擇采樣點(diǎn)包括泵房出水、住戶6樓龍頭(最不利點(diǎn))；在水池+水箱供水小區(qū)中選擇采樣點(diǎn)包括多層供水小區(qū)[泵房進(jìn)水、泵房出水、住戶1樓龍頭、住戶4樓龍頭(最不利點(diǎn))]、高層供水小區(qū)[泵房出水、住戶2樓龍頭(最不利點(diǎn))]。采樣點(diǎn)信息具體如表2所示。

表2 各采樣點(diǎn)位置Tab.2 Location of Different Sampling Points

1.2 檢測參數(shù)

ATP 生物熒光法的檢測：現(xiàn)場根據(jù)水樣污染程度將20～50 mL樣品通過針筒富集在過濾器中，再將過濾器中的目標(biāo)活性顆粒萃取入測試管后加入熒光素酶試劑[哈希水質(zhì)分析儀器(上海)有限公司第二代ATP測試盒，通用型]使其發(fā)出熒光，再經(jīng)過稀釋后混合均勻并在10 s 內(nèi)讀數(shù)[4]。具體檢測過程技術(shù)規(guī)格參數(shù)如表3所示，該檢測結(jié)果減去空白萃取液的檢測結(jié)果記為樣品中ATP發(fā)光強(qiáng)度，根據(jù)式(1)計(jì)算出ATP的精確含量。

表3 ATP熒光檢測技術(shù)規(guī)格參數(shù)Tab.3 Technical Specifications of ATP Detection

(1)

其中：cATP——ATP檢測法得到的活性顆粒最終質(zhì)量濃度，pg/mL；

RLUcATP——實(shí)際樣品在檢測器中所顯示的發(fā)光強(qiáng)度；

RLUATP1——試劑盒校準(zhǔn)液在檢測器中所顯示的發(fā)光強(qiáng)度；

10 000——換算常數(shù)，pg；

Vsample——樣品體積，mL。

HPC是經(jīng)過一系列具有一定營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基為基礎(chǔ)的檢測方法，檢測水樣中所包含的微生物含量，可用來描述所有需要有機(jī)物生長的細(xì)菌數(shù)量。對于飲用水中的HPC，我國采用傳統(tǒng)的較高溫度(37 ℃培養(yǎng)48 h)和富營養(yǎng)培養(yǎng)基培養(yǎng)(PCA)的菌落總數(shù)檢測方法。但對于飲用水中的一些細(xì)菌，如假單胞細(xì)菌等，該方法并不能檢測出來。目前，美國、德國等國家采用貧營養(yǎng)的R2A 培養(yǎng)基或者TSA-SB 培養(yǎng)基，同時(shí)通過降低培養(yǎng)溫度(28 ℃)、延長培養(yǎng)時(shí)間等方法檢測飲用水中的HPC。本文中采用的HPC檢測方法為平板傾注法，平板傾注后在25 ℃下培養(yǎng)7 d計(jì)數(shù)，結(jié)果以CFU/mL計(jì)，最終結(jié)果為兩組平行樣的平均值。

根據(jù)上海市地標(biāo)要求確定檢測項(xiàng)目，水質(zhì)檢測指標(biāo)包括常規(guī)指標(biāo)、重金屬、微生物和感官指標(biāo)、消毒副產(chǎn)物指標(biāo)等。本文檢測水樣為管網(wǎng)水，具體檢測指標(biāo)為渾濁度、色度、總氯、總大腸菌群、菌落總數(shù)、臭和味、大腸埃希氏菌、HPC、重金屬離子、溶解性總固體、三鹵甲烷、錳、砷、鉛、鋅等，檢測頻率為1～2次/月。本文采樣時(shí)間為2021年8月—2022年2月，共進(jìn)行14次水質(zhì)檢測，水質(zhì)指標(biāo)均參考《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 供水系統(tǒng)ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC檢測結(jié)果

供水系統(tǒng)不同采樣點(diǎn)生物安全指標(biāo)情況如圖1所示。

圖1 供水系統(tǒng)生物安全指標(biāo)變化Fig.1 Variation of Different Biological Safety Water Quality Indices of Water Distribution System

基于9次水質(zhì)檢測結(jié)果，對比出廠水、供水管網(wǎng)和二次供水取樣點(diǎn)可知，出廠水樣品ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為0.27 pg/mL、0.75 CFU/mL和7.50 CFU/mL；管網(wǎng)采樣點(diǎn)樣品ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為0.48 pg/mL、7.17 CFU/mL和133.75 CFU/mL；二次供水ATP檢測、菌落總數(shù)和HPC均值分別為1.62 pg/mL、40.28 CFU/mL和431.82 CFU/mL。盡管在供水系統(tǒng)不同月份、不同位置的采樣點(diǎn)總大腸菌群均未檢出，但檢測結(jié)果表明二次供水樣品中微生物含量較高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

分析沿輸水管線上4個(gè)管網(wǎng)取樣點(diǎn)，對比每次數(shù)據(jù)可知，微生物含量隨供水距離增加而增加，ATP含量從水廠出水到最后一個(gè)管網(wǎng)取樣點(diǎn)依次增高，最后一個(gè)取樣點(diǎn)數(shù)值明顯高于其余各點(diǎn)，而總氯含量從出廠到管網(wǎng)末梢逐步降低。在二次供水采樣點(diǎn)中，龍頭水采樣點(diǎn)微生物指標(biāo)均高于泵房出水采樣點(diǎn)，由此可見，目前供水系統(tǒng)生物安全的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于二次供水環(huán)節(jié)。研究表明，水的停留時(shí)間對水中消毒劑含量和微生物組成均會產(chǎn)生影響[6]。對比不同供水模式采樣點(diǎn)，工頻泵+高位水箱供水小區(qū)龍頭水較泵房出水微生物含量增長最多，在C高層小區(qū)，用戶龍頭水較泵房出水菌落總數(shù)提升138.2%，HPC提升131.1%，ATP提升158.8%。由此可見，對于工頻+水箱供水小區(qū)需通過管道材質(zhì)優(yōu)選、水齡控制等途徑降低余氯衰減，減少微生物再生長的情況。

不同季節(jié)變化如表4所示。在冬季，總氯平均含量較高，ATP、菌落總數(shù)和HPC處于全年最低水平；在夏季，總氯含量較低，余氯在管網(wǎng)中衰減較快，ATP、細(xì)菌總數(shù)和HPC含量為全年最高，因此，針對夏季生物安全風(fēng)險(xiǎn)的控制尤為重要。

表4 不同季節(jié)生物安全指標(biāo)均值Tab.4 Average Concentration of Biological Safety Water Quality Indices for Different Seasons

2.2 供水系統(tǒng)不同供水模式小區(qū)生物安全指標(biāo)影響因素研究

基于市政取樣點(diǎn)和小區(qū)不同供水單元取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對其中微生物指標(biāo)與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，如表5所示。

表5 水質(zhì)檢測指標(biāo)相關(guān)性Tab.5 Correlation of Different Water Quality Indices

ATP與總氯顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(guān)(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數(shù)顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.270,P<0.05)，和溫度顯著正相關(guān)(R=0.322,P<0.05)；菌落總數(shù)和HPC顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.268,P<0.05)；總氯與溫度顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數(shù)、HPC等相關(guān)性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關(guān)性較好，能較好地反映水中微生物指標(biāo)情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP和HPC均與總氯顯著負(fù)相關(guān)，與溫度正相關(guān)，因此，在夏季需保持用戶終端的總氯含量以保障供水生物安全。

對比各類型采樣點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，管網(wǎng)采樣點(diǎn)中，就總氯含量而言，水廠總氯質(zhì)量濃度控制在0.78～1.12 mg/L，夏季(8月—9月)比冬季(10月—次年2月)略高；在離水廠最近的2號市政采樣點(diǎn)中總氯質(zhì)量濃度略有下降，為0.78～0.90 mg/L；管網(wǎng)水流經(jīng)B、C、D小區(qū)到達(dá)供水末梢4號市政采樣點(diǎn)時(shí)總氯質(zhì)量濃度沒有明顯下降，為0.67～0.90 mg/L。各點(diǎn)總氯呈現(xiàn)夏天比冬天略低的現(xiàn)象，說明夏天管網(wǎng)氯消耗略高，但從直供點(diǎn)末端總氯值而言，出廠水的氯控制濃度足夠。就ATP含量而言，水廠出水最大質(zhì)量濃度為0.63 pg/mL, 而市政采樣點(diǎn)的ATP質(zhì)量濃度均小于0.78 pg/mL，各管網(wǎng)采樣點(diǎn)呈現(xiàn)夏天比冬天高的現(xiàn)象。

二次供水(泵房出水，用戶龍頭)的ATP含量都呈現(xiàn)夏天比冬天高的現(xiàn)象，而且數(shù)值上比上一直供管網(wǎng)點(diǎn)高，這與之前傳統(tǒng)培養(yǎng)法得到的研究結(jié)論相一致[7]?？偮戎党霈F(xiàn)夏季比冬天略低的現(xiàn)象，這說明在管網(wǎng)和二次供水設(shè)施內(nèi)，夏天總氯消耗得多，而微生物的繁殖略顯旺盛。C小區(qū)的2樓采樣點(diǎn)中，ATP的含量比大多數(shù)管網(wǎng)點(diǎn)高(9個(gè)點(diǎn)中有5個(gè)質(zhì)量濃度超出0.70 pg/mL)，且和總氯值出現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化(從8月—次年2月，ATP逐步降低，總氯逐步增加)，而且和HPC、菌落總數(shù)的趨勢一致(8月—9月HPC和菌落總數(shù)也比較高)。ATP的檢測快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了這一取樣點(diǎn)的水質(zhì)問題。

2.3 基于ATP檢測的供水系統(tǒng)生物安全指標(biāo)限值研究

針對9次檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，取菌落總數(shù)、HPC或渾濁度符合本地限值的樣品的ATP結(jié)果值，用Grubbs檢驗(yàn)去掉離群值，用剩下數(shù)據(jù)的平均值+3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)基準(zhǔn)值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 ATP生物安全限值分析Tab.6 Analysis of ATP Biological Safety Limits

通過篩選滿足HPC及菌落總數(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)限值對應(yīng)的ATP基準(zhǔn)值，建議取該值來評估管網(wǎng)水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即當(dāng)ATP質(zhì)量濃度小于1.30 pg/mL或1.80 pg/mL時(shí)，分別對應(yīng)HPC和菌落總數(shù)達(dá)到上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/T 1091—2018)。這個(gè)ATP基準(zhǔn)值與ATP設(shè)備供應(yīng)商提供的建議限值(生物安全為小于1.0 pg/mL，不安全為大于10 pg/mL)較為接近，因此，初步判斷ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL可作為ATP檢測生物安全控制限值。

從ATP檢測結(jié)果看，二次供水的水質(zhì)隨著小區(qū)管線水流方向變差，夏季尤其明顯。比如，A小區(qū)泵房水泵出水夏季ATP質(zhì)量濃度為0.40～0.96 pg/mL，用戶龍頭水中為1.01～1.73 pg/mL；C小區(qū)和D小區(qū)更為明顯，用戶龍頭水中ATP質(zhì)量濃度達(dá)到2.53～17.67 pg/mL。在夏季，供水管網(wǎng)及泵房水泵出水能滿足生物安全的要求，但在用戶龍頭水存在一定的生物安全風(fēng)險(xiǎn)，需對二次供水系統(tǒng)的生物安全保障技術(shù)進(jìn)行研究，提升水質(zhì)安全保障能力。根據(jù)2.2小節(jié)相關(guān)性研究結(jié)果，總氯與生物安全指標(biāo)顯著負(fù)相關(guān)，因此，可以通過保障龍頭水的總氯含量，保障生物安全?；贏TP限值倒推所需的總氯含量，將ATP質(zhì)量濃度低于1.3 pg/mL時(shí)對應(yīng)的總氯數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將最高總氯含量確認(rèn)為總氯的控制值，結(jié)果表明當(dāng)總氯質(zhì)量濃度高于0.28 mg/L時(shí)，可以滿足ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL，保障生物安全。因此，想實(shí)現(xiàn)用戶龍頭水水質(zhì)的持續(xù)安全穩(wěn)定，需要對整個(gè)供水流程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行評估，從每個(gè)環(huán)節(jié)上分析可能存在的問題[8-9]，如二次供水系統(tǒng)中管道和水池(箱)材質(zhì)表面生物膜的生長、較長的停留時(shí)間導(dǎo)致的消毒劑衰減等，減少出廠之后被二次污染的可能性，基于更多時(shí)效性強(qiáng)的監(jiān)測指標(biāo)，快速反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)可能存在的問題，從而持續(xù)穩(wěn)定保障用戶優(yōu)質(zhì)飲水。

3 結(jié)論與展望

目前，供水片區(qū)的主要水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為生物安全指標(biāo)(ATP、菌落總數(shù)和HPC)，微生物指標(biāo)受季節(jié)影響較大，夏季在居民龍頭水處可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

生物安全指標(biāo)與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性研究結(jié)果表明：ATP與總氯顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(guān)(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數(shù)顯著正相關(guān)(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.270,P<0.05)，與溫度顯著正相關(guān)(R=0.322,P<0.05)；總氯與溫度顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數(shù)、HPC等相關(guān)性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關(guān)性較好，能較好地反映水中微生物指標(biāo)情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP、HPC和菌落總數(shù)均與總氯顯著負(fù)相關(guān)，與溫度正相關(guān)，因此，在夏季需保持用戶終端的總氯含量以保障供水生物安全。

通過篩選滿足HPC及菌落總數(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)限值對應(yīng)的ATP基準(zhǔn)值，建議取該值來評估管網(wǎng)水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL可初步判斷作為ATP檢測生物安全控制限值?；贏TP限值倒推所需的總氯含量，當(dāng)總氯質(zhì)量濃度高于0.28 mg/L時(shí)，可以滿足ATP質(zhì)量濃度低于1.30 pg/mL，保障生物安全。

ATP生物熒光檢測方法具有檢測效率高、能全面反映水體中生物量的特點(diǎn)，在供水系統(tǒng)中應(yīng)對突發(fā)水質(zhì)事件的過程中有很多可以嘗試的應(yīng)用場景。例如在水廠臭氧生物活性炭工藝后，能通過ATP檢測及時(shí)確認(rèn)活性炭生物泄露情況；在二次供水泵房后，通過ATP檢測能及時(shí)反應(yīng)二供系統(tǒng)的生物安全問題；在管道沖洗消毒后，通過ATP檢測能及時(shí)反應(yīng)沖洗消毒效果等。后續(xù)可以對該檢測方法進(jìn)一步進(jìn)行推廣研究。