在储雨水进行间歇性氯化处理过程中，消毒残留细菌（Disinfection Residual Bacteria, DRB）的社区特征及其相关风险

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Community characteristics and risks of disinfection residual bacteria (DRB) during intermittent chlorination of stored rainwater

本研究采用高通量测序技术，探讨间歇性消毒对窖水微生物群落多样性和结构的影响。结果表明，间歇性消毒降低了微生物丰富度和均匀度，典型DRB（如Serratia、Pseudomonas等）在多次消毒后仍保持优势，并可能诱导病原体富集，建议消毒次数不超过三次。溶解有机氮、氨氮、总溶解固体、氯离子及pH值与微生物群落变化显著相关。

　　

陈志文|廖晓斌|胡斌雄|叶阳|刘美玲|董莹莹|李涛|吕立坤|Mawuli Dzakpasu|谢月峰|王文东

西安交通大学人居与土木工程学院，中国西安710049

摘要

雨水是干旱地区重要的淡水资源，通常被储存在水窖中以满足人们的饮用水需求。本研究采用高通量测序方法，探讨了在间歇性消毒条件下水窖水中典型细菌群（DRB）的分布和变化情况。结果表明，间歇性消毒会降低雨水窖中微生物群落的丰富度和均匀性。Serratia、Pseudomonas、Blastomonas和Methylotenera被认为是典型的DRB属，这些细菌在多次氯化处理后仍表现出显著的丰度优势。检测到的病原体中有31.27%~83.92%来自典型的DRB。间歇性消毒可能导致致病性Pseudomonas的富集以及与人类疾病相关的细菌功能的增强。在四次和三次消毒后，Pseudomonas的富集和细菌功能的增强最为明显，分别增加了701.9%和59.8%。为降低与细菌富集相关的问题风险，建议将消毒周期限制在三次以内。相关性分析显示，溶解有机氮（DON）、氨氮（NH₃-N）、总溶解固体（TDS）、溶解有机物（DOM）、Cl^-和pH值与微生物多样性和结构的变化之间存在显著相关性。储存过程中失活的Methylotenera的再生、Serratia对含溴环境的适应以及Blastomonas和Pseudomonas对高盐度和低营养条件的耐受性可能是这四种典型DRB属丰度增加的原因。

引言

中国是全球13个严重缺水国家之一，人均水资源仅约为世界平均水平的25%[1]。此外，国内淡水资源的分布极不均衡，80%的资源集中在中国南部，而西北地区仅占8%[2]。近年来，雨水收集（RWH）技术已成为缓解干旱地区饮用水需求的重要方法[3]。在中国干旱的西北地区，水窖是关键的雨水收集设施，用于储存屋顶和庭院的径流以满足家庭饮用水需求[2]、[4]。然而，雨水在收集过程中容易受到屋顶和排水沟等表面的污染，导致收集到的雨水中含有生物和化学污染物[5]。在中国黄土高原地区，庭院水窖中的总氮（TN）和有机物浓度分别在0.5~1.9 mg/L和8.7~23.8 mg/L之间，这可能导致微生物指标超标[5]、[6]。一项针对宁夏90个水窖水样本的研究发现，总细菌计数超过了可接受限度的27.2%[7]。Ahmed等人[8]指出，在屋顶收集的雨水中存在有害的微生物污染物，如大肠杆菌和贾第虫。此外，多个国家报告了因饮用未经处理的雨水而引发的发热、头痛、军团病和腹泻病例[5]、[9]。相比之下，微生物污染对健康的危害比化学污染更为严重[10]。

为了解决水传播的微生物污染问题，氯消毒仍然是家庭储存雨水的主要处理方法，尤其是在干旱地区。氯消毒因其能耗低、成本低和持久的杀菌效果而受到青睐[5]。与传统的市政消毒方法不同，通过在水中定期添加含氯消毒剂进行间歇性消毒是水资源匮乏地区常用的方法，以维持足够的游离余氯并确保长期雨水储存期间的消毒效果。由于其年人均成本低于太阳能辐射和紫外线（UV）消毒方法，间歇性消毒在中国西北干旱地区被广泛采用[11]、[12]。此外，《夏威夷雨水收集手册》也指出，定期向收集的雨水中添加次氯酸钠是必要的消毒管理措施[13]。在美国维尔京群岛，当地人也通过间歇性消毒来消除储存雨水中的致病细菌[14]。

然而，必须注意的是，没有任何消毒方法能够彻底消除水中的所有微生物。消毒对不同细菌种类的选择性作用可能导致某些不希望存在的细菌在消毒过程中存活[15]、[16]。这些存活的细菌，即DRB，仍然具有生长能力或在消毒后保持其毒力，甚至可能比未消毒的微生物群带来更大的健康风险[16]、[17]、[18]。Wang等人[16]发现，80%的典型DRB属含有致病菌。其中，像Pseudomonas和沙门氏菌这样的机会性病原体在消毒后还会显著再生，增加了水传播疾病的可能性[19]、[20]、[21]。此外，消毒过程还会提高DRB的抗生素抗性水平及其抗生素抗性基因（ARGs）的宿主范围，从而降低抗菌效果，对人类健康构成威胁[22]、[23]、[24]。显然，全面了解消毒过程中微生物群落的变化，特别是DRB的转移，对于保障饮用水的生物安全至关重要[16]。尽管许多学者已经研究了在氯化、臭氧和紫外线消毒等典型消毒方法下DRB的群落结构和风险特征[16]、[25]、[26]，但现有研究的结果是在单一消毒条件下获得的，间歇性消毒下DRB的群落结构和变化特征尚不清楚。

除了消毒条件外，水质的变化也会导致微生物群落结构的变化，甚至特定机会性病原体（OPs）的再生，最终对雨水使用者构成健康风险[26]、[27]、[28]、[29]。现有研究表明，余氯和营养物质在细菌的稳定性和再生过程中起着关键作用[30]、[31]。具体来说，储存过程中氯残留的减少会导致OPs的数量增加及其相关风险[31]。水中的DOM有助于消毒后受损大肠杆菌的修复和再生[32]。此外，其他物理化学指标（TDS和pH值）的变化也会影响微生物群落结构和活性部分的多样性[33]、[34]。先前的研究发现，高pH值和TDS环境有利于致病性钩端螺旋体和总大肠菌群的存活[35]、[36]、[37]。尽管人们对水质与微生物生长之间的关系有相当深入的了解[38]、[39]、[40]，但在消毒后的储存和生长阶段，这一关系研究较少，尽管在废水和自然水中经常观察到再生现象[41]、[42]。

本文利用模拟水窖来研究以下方面：1）间歇性消毒对微生物多样性和群落结构的影响；2）确定间歇性消毒过程中水窖水中的典型DRB及其潜在健康风险；3）间歇性消毒过程中水质的变化及其对DRB群落结构的影响。

部分摘录

雨水样本收集

雨水收集工作于6月进行，此时是中国西北地区的主要降雨季节[43]。雨水收集工作在西安交通大学人居与土木工程学院的顶层进行。收集区域包括1,875平方米的混凝土暴露表面（长度：75米，宽度：25米）。选择混凝土收集表面是因为其优秀的径流水质，已成为大多数情况下的首选材料

细菌计数的变化

在水窖水中，不同间歇性消毒条件下（消毒剂剂量分别为1.0 mg/L、1.5 mg/L和2.0 mg/L的Cl₂），评估了HPC（细菌总数），结果如图1所示。

如图1所示，在前三个消毒周期中，不同氯剂量下的水窖水中的HPC总体上有所下降。氯剂量最低（1.0 mg/L）的水窖水中的HPC波动最为显著

结论

本研究的主要发现如下：（1）间歇性消毒方法会导致水窖水中细菌群落的丰富度和均匀性降低；（2）α-和γ-变形菌以及放线菌是典型的DRB类群。其中，γ-变形菌在间歇性消毒过程中的丰度增加最为显著，建议关注这一类群在储存水窖水期间可能带来的潜在微生物风险；（3）Serratia属

CRediT作者贡献声明

王文东：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。谢月峰：撰写 – 审稿与编辑、监督。Mawuli Dzakpasu：撰写 – 原稿撰写。董莹莹：可视化、数据分析。刘美玲：验证、数据分析。吕立坤：撰写 – 原稿撰写、数据分析。李涛：撰写 – 原稿撰写。廖晓斌：撰写 – 审稿与编辑、资源协调。陈志文：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了陕西土地工程建设集团有限公司与西安交通大学土地工程与人居技术联合创新中心（项目编号201912131）以及陕西省重点研发项目（项目编号2022FP-34）的资助。

利益冲突

作者声明，本研究是在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。