建筑熱水系統中的軍團菌賦存水平及影響因素

張雅梅，代雪寧，楊文暢，李偉英,,*

(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.同濟大學長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092)

建筑供水系統由建筑冷水系統和建筑熱水系統組成，作為供水“最后一公里”的重要組成部分，其水質安全與居民健康息息相關。新冠疫情暴發以來，飲用水水質生物安全得到了更廣泛的關注和重視。建筑供水系統中水流停滯時間長、供水管道直徑較小、管道末梢水中消毒劑含量低，為微生物提供了適宜的生長條件[1-2]，而建筑熱水系統的水溫相比冷水系統更適宜微生物生長[3]，增加了水質生物風險。因此，建筑熱水系統成為微生物及病毒傳染的主要途徑之一，由此帶來的水質安全問題時有發生。

軍團菌(Legionellaspp.)是一種革蘭氏陰性的條件致病菌，具有耐熱性和耐氯性，廣泛存在于自然水體[4]及建筑供水系統中，可通過直接接觸或吸入氣溶膠方式侵入人體，引起2種呼吸道感染病：龐蒂亞克熱和軍團菌病[5]。1976年美國費城首次暴發軍團菌病，2000年—2009年美國軍團菌病報告病例呈上升的趨勢[6]，我國自1982年在南京首次報告軍團菌病例之后，在北京、廣州等省市陸續有軍團菌散發和小規模暴發病例報道。與人類患病最為密切相關的是嗜肺軍團菌(Legionellapneumophila)，90%的病例與其有關[7]。

目前，國內外對建筑供水系統全流程中軍團菌的分布了解尚不充分，在營養物質對軍團菌影響研究方面，多集中于水中不同形式存在的碳源[8-9]，對氮和磷的關注較少。各建筑類型中，賓館作為人流量較大的場所軍團菌的檢出率較高[10]。因此，本研究以華東地區實際賓館(以下簡稱“J賓館”)的建筑熱水系統為研究對象，分析實際建筑熱水系統中軍團菌的時空分布特征，探究各水質指標對軍團菌、嗜肺軍團菌生長繁殖的影響，并通過正交試驗探究營養物質對軍團菌生長的影響，為研究建筑熱水系統中軍團菌存在規律以及末梢水生物安全保障提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 建筑熱水系統概況及采樣點布置

J賓館共11層，其中1～4層為會議室、餐廳等，5～10層為客房，屋頂水箱置于11層，2臺熱交換器置于B1層。熱水系統采用鋼塑復合管。綜合考慮建筑熱水系統供水流程以及供水距離，共設置6個取樣點，如圖1所示。

注：J1～J6—取樣點位置，J1—市政管網，J2—地下水箱，J3—屋頂水箱，J4—熱交換器，J5—10層的熱水末梢，J6—5層的熱水末梢

1.2 水質檢測指標及方法

水質檢測指標包括水溫、總氯、pH、渾濁度、重金屬及類金屬指標，分別采用水銀溫度計、余氯分析儀、pH計、濁度儀以及電感耦合等離子質譜儀測定；溶解性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)采用總有機碳分析儀測定；總氮(total nitrogen，TN)的測定依據《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)；可生物同化有機碳(assimilable organic carbon，AOC)以熒光假單胞菌P17和螺旋菌NOX為標準測試菌種，采用先后接種法測定；可生物利用磷(microbially available phosphorus，MAP)熒光假單胞菌P17為標準測試菌種，采用流式細胞儀測定生物量。余氯和水溫在現場測試，其余指標在水樣運回至實驗室后檢測。

1.3 軍團菌等微生物檢測方法

采用實時熒光定量PCR檢測建筑熱水系統中的軍團菌、嗜肺軍團菌、哈曼屬原蟲(Hartmannellavermiformis)以及16S rRNA基因(表征總細菌數)。軍團菌屬和嗜肺軍團菌采用Taqman探針法，總細菌和哈曼屬原蟲采用Sybr Green染料法。

1.4 統計分析方法

運用SPSS(version 25)軟件進行統計學分析，采用非參數Kruskal-Wallis檢驗軍團菌濃度隨時間和空間變化的差異性。

2 結果與討論

2.1 建筑熱水系統軍團菌存在水平

分別在夏季和冬季采集水樣，采用q-PCR定量檢測建筑熱水系統中軍團菌的污染程度，結果如圖2所示。

圖2 J賓館供水系統水中細菌的賦存水平

J賓館建筑熱水系統軍團菌和哈曼屬原蟲檢出率為100%，哈曼屬原蟲在熱交換器后濃度顯著升高，在夏季尤為顯著。軍團菌和總細菌數隨采樣點位置變化不明顯。軍團菌含量在夏季時(4.19×104～3.55×105copies/mL)高于冬季(1.57×104～1.08×105copies/mL)。飲用水中軍團菌可能會引起感染的含量為3.5×106～3.5×108CFU/L[11]，J賓館建筑熱水系統的軍團菌含量已經處于危險閾值內，應當引起注意。

嗜肺軍團菌僅在熱交換器及末梢水檢出，含量為33.45～259.00 copies/mL，熱交換器中嗜肺軍團菌濃度最高。建筑熱水系統中哈曼屬原蟲濃度升高促進了嗜肺軍團菌的生長，可能是因為哈曼屬原蟲促進嗜肺軍團菌進入“活的但非可培養”(viable but non-culturable，VBNC)狀態，增強其對不利環境條件的抵抗能力[12]。夏季5層的末梢熱水以及冬季10、5層的末梢熱水的嗜肺軍團菌濃度低于定量限，未在圖中標記。由檢測結果可知，末梢熱水均受到嗜肺軍團菌污染，雖然污染程度不高，但仍有再生長的風險。

2.2 常規水質指標及其對軍團菌存在影響

對水溫、總氯、pH、渾濁度檢測與分析結果如圖3所示。由圖3(a)可知，J賓館市政管網、水箱、熱交換器和末梢熱水的平均水溫分別為23.4、23.3、46.3 ℃和40.0 ℃。10層的末梢熱水為40.3～46.0 ℃，5層的末梢熱水在34.2～40.5 ℃，處于軍團菌適宜生長溫度范圍。由2.1節可知，J賓館熱交換器以及末梢熱水受到了軍團菌、嗜肺軍團菌的污染，而在冷水中未檢測到嗜肺軍團菌。因此，水溫是影響軍團菌(尤其是嗜肺軍團菌)繁殖的重要因素。10層的熱水末梢嗜肺軍團菌濃度較高，Proctor等[8]研究也表明在熱水系統中，當溫度為41 ℃時嗜肺軍團菌濃度達到峰值。《生活熱水水質標準》(CJ/T 521—2018)規定熱水溫度應大于46 ℃，本研究中J賓館出于防止住客燙傷以及用水舒適性的考慮，熱交換器出水溫度較低，導致用水末梢熱水水溫均不滿足要求。因此，應適當提高熱交換器及末梢熱水溫度，以降低嗜肺軍團菌濃度。

注：J4～J6采樣點總氯質量濃度接近0，低于儀器定量限，故未在圖中標出

J賓館總氯在各采樣點差異顯著(P=0.029<0.050)，J賓館未采用二次消毒措施，總氯隨供水距離的增加明顯降低，熱交換器后水中總氯含量接近為0。總氯的迅速衰減也是J賓館熱水系統中軍團菌濃度較高的原因之一。

由圖3(b)～圖3(c)可知，J賓館的pH值為7.01～7.75，渾濁度全年在1 NTU以下，均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求。值得關注的是，熱交換器渾濁度最高，而嗜肺軍團菌濃度也最高，因此，渾濁度可能是促進嗜肺軍團菌生長繁殖的重要因素之一。

重金屬及類金屬檢測結果表明，J賓館銅的質量濃度為83.69～127.26 μg/L，在熱交換器中含量較高。Song等[13]研究表明200～800 μg/L的銅能有效殺菌，本研究中銅的質量濃度較低，未表現出對軍團菌生長的抑制作用。砷的質量濃度在0.30～2.15 μg/L，鉛質量濃度在0.06～1.10 μg/L，兩者均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中質量濃度<10 μg/L的要求。

碳、氮、磷是微生物生長必要的營養元素，建筑給水系統屬于貧營養環境，營養基質很可能成為微生物生長的限制性因素。本研究選取DOC、AOC、TN以及MAP作為水質檢測指標，其中AOC、MAP為水質生物穩定性指標，檢測結果如圖4所示。

圖4 J賓館供水系統中營養基質變化

由圖4(a)～圖4(b)可知，J賓館DOC質量濃度在1.67～3.60 mg/L。夏季的屋頂水箱中DOC濃度最高，表明夏季屋頂水箱受到了有機物污染。TN質量濃度在5.19～8.67 mg/L，統計學分析表明J賓館DOC、TN與季節、采樣點間差異均不顯著。

市政供水管網水中AOC較低且比較穩定，建筑內部水中AOC波動較大，平均質量濃度在97～209 μg/L，如圖4(c)所示。Zhang等[14]研究表明，AOC質量濃度低于135 μg/L時，可有效抑制異養菌再生。因此，J賓館建筑熱水系統生物穩定性較差。如圖4(d)所示，MAP隨供水距離增加呈現平穩降低的趨勢，熱水末梢MAP較低，可能與細菌生長消耗MAP有關。水中營養物質對軍團菌生長繁殖的影響將在2.4小節闡述。

J賓館熱水系統的異養菌平板計數(HPC)如圖5所示。《生活熱水水質標準》(CJ/T 521—2018)中規定水中HPC≤500 CFU/mL，除冬季5層的末梢熱水HPC超標(503 CFU/mL)之外，其余采樣點的HPC均符合規范要求，但末梢熱水的HPC顯著高于其余采樣點，應引起關注。

圖5 J賓館供水系統中HPC變化

2.3 熱水系統生物膜及其對水樣中軍團菌存在影響

在夏季采集生物膜樣品，采用q-PCR定量檢測建筑熱水系統中軍團菌等細菌，結果如圖6所示。

圖6 J賓館供水系統生物膜中細菌的賦存水平

生物膜中軍團菌的檢出率為100%，含量為3.08×104～1.07×107CFU/cm2。在冷水管壁生物膜中未檢出嗜肺軍團菌；在熱交換器和熱水系統末梢管壁生物膜中均檢出嗜肺軍團菌，與2.1小節中檢測結果一致，再次表明水溫是軍團菌生長繁殖的重要影響因素。

生物膜中的生物量較大，且有一部分持續處于VBNC狀態[6]，存在潛在微生物風險。飲用水管壁生物膜中軍團菌可能引起感染的含量為7.8×105～7.8×108CFU/cm2[11]，由圖6可知，J賓館生物膜中的軍團菌含量處于引起感染的濃度范圍內，生物膜中的軍團菌會釋放到水中，帶來水質生物安全隱患。應當引起重視，及時采取相應措施，如定期清洗水箱、熱交換器等，可以有效降低軍團菌和嗜肺軍團菌在熱水系統中的含量[15]。

2.4 營養物質對軍團菌生長影響試驗

本研究根據建筑熱水系統的實際水樣監測數據，為探究不同溫度下營養物質對微生物生長的影響，進行四因素三水平的正交試驗，各因素試驗水平如表1所示。提取建筑熱水系統的細菌，按照表2進行9組試驗，采用q-PCR技術檢測9組試驗培養后混合液的16S rRNA基因(表征總細菌)、嗜肺軍團菌和軍團菌，檢測結果如圖7所示。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗安排

圖7 不同溫度及營養條件下總細菌、軍團菌、嗜肺軍團菌變化

對正交試驗結果進行極差分析表明，總細菌數影響因素排序為：溫度>氮源>磷源>碳源，其中溫度、氮源和磷源對總細菌的影響程度相差不大，而碳源的影響最小。在溫度為40 ℃下，總細菌的含量最低，為3.13×107～7.59×107copies/mL，溫度為60 ℃下總細菌含量最高，可達4.66×108copies/mL。這表明賓館熱水系統中存在部分耐熱的細菌，可在較高的熱水溫度(50～60 ℃)下生存，且生長速率較快[16]，使總細菌數增高。

嗜肺軍團菌影響因素排序為溫度>碳源>磷源>氮源，溫度對嗜肺軍團菌生長的影響最大，其他3種因素對嗜肺軍團菌的影響程度相差不大。

軍團菌影響因素排序為溫度>磷源>氮源>碳源，磷可能是軍團菌屬某些其他菌群的限制性生長因素。由不同試驗組間的對比來看，嗜肺軍團菌和軍團菌屬的變化趨勢相似，表明軍團菌屬的菌群受環境影響的情況趨于一致。軍團菌與嗜肺軍團菌最大值均為1號樣本，且與HPC的最佳組合保持一致，這可能是由于軍團菌屬的細菌與水中其他多種微生物存在共生關系。

3 結論

本研究主要得出以下結論。

(1)J賓館建筑供水系統(給水系統和熱水系統)軍團菌檢出率為100%，給水系統中未檢出嗜肺軍團菌，但熱水系統中嗜肺軍團菌檢出率為50%，其中熱交換器中嗜肺軍團菌污染最嚴重，應及時采取增加清洗頻率等措施，保障熱水水質生物安全。

(2)溫度和渾濁度是影響軍團菌生長繁殖的重要因素，建議適當提高熱交換器熱水溫度、降低水的渾濁度以及在屋頂水箱加注適量消毒劑，以控制軍團菌生長繁殖。

(3)磷是軍團菌的限制性生長因素。