饮用水氯消毒诱导水体病原菌进入VBNC状态的机制与预测模型研究

《Water Cycle》：Induction and prediction modeling of the VBNC waterborne pathogens under chlorine disinfection in drinking water

本研究针对氯消毒诱导水体病原菌进入活的非可培养状态(VBNC)这一威胁饮用水微生物安全的难题，通过探究大肠杆菌和铜绿假单胞菌在氯消毒(0.5–4 mg/L)下的VBNC诱导规律，发现高浓度氯(2–4 mg/L)更易诱导铜绿假单胞菌进入VBNC状态，而VBNC大肠杆菌复苏潜力更强。研究首次构建了基于Chick-Watson定律的三维动态模型，可精准预测VBNC菌形成(R2> 0.90)，为饮用水微生物风险控制提供了理论依据。

　　

在保障饮用水安全的战场上，氯消毒一直被视为抵御微生物污染的重要防线。然而，越来越多的研究发现，这种常见的消毒方式可能是一把双刃剑——它虽然能有效杀灭大多数细菌，却可能让一部分病原菌"假死"进入一种特殊的休眠状态，即"活的非可培养状态"(Viable but non-culturable state, VBNC)。这些VBNC病原菌在标准培养条件下无法生长，难以通过常规方法检测，但它们仍然保持生物活性和潜在致病性，如同潜伏在饮用水中的"特洛伊木马"，一旦环境适宜就可能复苏重生，对公众健康构成严重威胁。

面对这一挑战，华东理工大学郭冰冰团队在《Water Cycle》上发表了最新研究成果，系统揭示了氯消毒如何诱导两种常见水体病原菌——大肠杆菌(Escherichia coli)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)进入VBNC状态，并首次建立了能够精准预测这一过程的数学模型。

为深入探究VBNC状态的形成机制，研究团队采用多学科交叉的研究策略。他们通过PMA-qPCR技术同步检测可培养菌、存活菌和VBNC菌数量，利用扫描电镜观察细胞形态变化，采用RT-qPCR分析应激基因表达，并通过复苏实验评估VBNC菌的复活潜力。基于这些实验数据，研究人员创新性地建立了基于Chick-Watson定律的三维动态模型，能够定量描述氯消毒过程中细菌在不同状态间的转化规律。

氯消毒对可培养和存活水体病原菌的影响

研究发现在0.5-4 mg/L氯浓度范围内，随着消毒剂浓度和作用时间增加，可培养菌、VBNC菌和存活菌数量均呈下降趋势。值得注意的是，在2-4 mg/L较高氯浓度下，可培养菌可被完全灭活，但VBNC菌仍能持续存在，甚至在4 mg/L氯处理30分钟后，VBNC大肠杆菌和VBNC铜绿假单胞菌仍能分别保持在10³CFU/mL和10⁴CFU/mL水平。比较两种细菌的耐受性发现，铜绿假单胞菌表现出更强的氯抗性，更容易被诱导进入VBNC状态。

氯诱导应激下大肠杆菌和铜绿假单胞菌的形态特征

扫描电镜观察显示，氯处理导致细菌出现明显的形态学改变。随着氯浓度增加，细胞逐渐出现膜收缩、表面皱褶和体积减小等特征。在3-4 mg/L高氯浓度下，部分细胞发生严重损伤，包括外膜破裂和细胞裂解。这些形态变化反映了氧化应激对细菌结构的普遍影响，但与VBNC状态无特异性关联。

氯诱导的VBNC大肠杆菌和VBNC铜绿假单胞菌中应激抗性基因上调

基因表达分析揭示了VBNC状态形成的分子机制。氧化应激应答基因(soxR、katG和oxyR)表达显著上调1.8-5.1倍，而通用应激应答sigma因子rpoS表达上调最为显著(4.4-9.7倍)。相反，持家基因gapA表达稳定，毒力相关基因gadA和oprL也保持稳定表达，表明VBNC菌在维持基本代谢功能的同时，可能仍保留毒力潜力。

营养丰富条件下VBNC大肠杆菌和VBNC铜绿假单胞菌的复苏潜力

复苏实验证明VBNC菌具有复活能力，且复苏概率与氯诱导浓度呈负相关。经2 mg/L氯诱导的VBNC大肠杆菌和铜绿假单胞菌复苏率最高(分别达8/10和6/10)，而4 mg/L氯诱导的菌株复苏率降低且复苏时间延迟。比较两种菌的复苏特性发现，VBNC大肠杆菌表现出更强的复苏潜力，通常在8-10小时开始复苏，早于铜绿假单胞菌的10-14小时。

氯诱导应激下VBNC大肠杆菌和VBNC铜绿假单胞菌的预测建模与验证

研究建立的三维动态模型成功实现了对VBNC菌形成的精准预测(R²> 0.90)。模型显示，在低氯浓度条件下(大肠杆菌<0.78 mg/L，铜绿假单胞菌<0.654 mg/L)，细菌更容易进入VBNC状态而非被完全灭活。验证实验证实模型具有良好的预测能力，灵敏度分析表明模型对存活菌衰减系数(k_V)最为敏感。

这项研究通过多角度证据链证实，氯消毒不仅不能完全灭活水体病原菌，反而可能诱导其进入更具潜在风险的VBNC状态。研究建立的预测模型为饮用水处理工艺优化提供了重要工具，提示在制定消毒策略时需考虑VBNC菌的形成风险。该成果对完善饮用水微生物安全评价体系、制定更有效的风险控制策略具有重要指导意义，标志着我们对饮用水微生物安全的认识进入了新的阶段。