基于ATP生物熒光法的供水系統生物安全評估

孫堅偉

(上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127)

飲用水水質對人類健康至關重要，衛生、安全的飲用水主要依賴于水源保護、凈化處理、消毒和安全輸配。世界衛生組織(WHO)調查指出，全球88%的疾病歸咎于不安全的飲用水以及缺乏相關衛生設施，與飲用水有關的衛生問題大多來自微生物(細菌、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前重要的民生問題，與居民生活和健康息息相關。經水廠處理后的自來水雖達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2016)的各項要求，但水中仍含有微量的微生物、有機物和無機鹽等物質進入供水管網。供水管網水中存在的微生物及有機物、氮、磷等物質，不僅導致管網管壁生物膜生長，而且可能引起管材生物腐蝕、供水系統末梢水質劣變，產生生物安全隱患[1]。隨著供水管網輸送距離的增加，水中菌落總數、渾濁度等隨之增加，水質生物安全性呈明顯下降趨勢，導致水質出現“二次污染”，管網中的消毒劑、營養物質、管道材料、水力條件等與水中細菌的再生長有關，同時，這些環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]。對供水系統中微生物水平的準確評估是評判水質生物安全的重點。

傳統的飲用水生物安全檢測方法包括菌落總數、異養菌平板計數(HPC)、總大腸菌群等。而隨著分子生物學的發展，基于靈敏的分子生物學檢測方法，如三磷酸腺苷(ATP)生物熒光檢測和熒光定量PCR等[3]、細胞生物學檢測方法流式細胞術(FCM)等可對水質生物安全進行更全面的表征。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[4]。傳統的HPC和細菌平板計數檢測方法只能反映水中微生物的一小部分，且需要較長的培養時間。由于ATP存在于所有的細胞內，對其進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檢測方法相比具有一定的優勢，可以在現場檢測，時間只需要幾分鐘。

表1 常見的供水系統微生物檢測方法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效性高的特點，在供水系統中進行水質安全評估具有較好的應用價值，而目前國內較少同時采用ATP檢測方法及傳統培養法對供水系統進行全面評估的報道。本研究采用ATP及其他傳統檢測方法對上海市某片區供水系統生物安全進行調研，對該檢測方法的實際應用情況進行分析和評估。

1 材料與方法

1.1 采樣點的設置

1.1.1 市政供水采樣點

選取上海某地區出廠水、管網市政供水及二次供水采樣點。

1.1.2 供水小區內部取樣點

在水廠附近、管網中段、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，設置小區內部采樣點。

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

表2 各采樣點位置Tab.2 Location of Different Sampling Points

1.2 檢測參數

ATP 生物熒光法的檢測：現場根據水樣污染程度將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活性顆粒萃取入測試管后加入熒光素酶試劑[哈希水質分析儀器(上海)有限公司第二代ATP測試盒，通用型]使其發出熒光，再經過稀釋后混合均勻并在10 s 內讀數[4]。具體檢測過程技術規格參數如表3所示，該檢測結果減去空白萃取液的檢測結果記為樣品中ATP發光強度，根據式(1)計算出ATP的精確含量。

表3 ATP熒光檢測技術規格參數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量濃度，pg/mL；

RLUcATP——實際樣品在檢測器中所顯示的發光強度；

RLUATP1——試劑盒校準液在檢測器中所顯示的發光強度；

10 000——換算常數，pg；

Vsample——樣品體積，mL。

HPC是經過一系列具有一定營養物質的培養基為基礎的檢測方法，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物生長的細菌數量。對于飲用水中的HPC，我國采用傳統的較高溫度(37 ℃培養48 h)和富營養培養基培養(PCA)的菌落總數檢測方法。但對于飲用水中的一些細菌，如假單胞細菌等，該方法并不能檢測出來。目前，美國、德國等國家采用貧營養的R2A 培養基或者TSA-SB 培養基，同時通過降低培養溫度(28 ℃)、延長培養時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7 d計數，結果以CFU/mL計，最終結果為兩組平行樣的平均值。

根據上海市地標要求確定檢測項目，水質檢測指標包括常規指標、重金屬、微生物和感官指標、消毒副產物指標等。本文檢測水樣為管網水，具體檢測指標為渾濁度、色度、總氯、總大腸菌群、菌落總數、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。本文采樣時間為2021年8月—2022年2月，共進行14次水質檢測，水質指標均參考《生活飲用水標準檢驗方法》相關分析方法。

2 結果與討論

2.1 供水系統ATP檢測、菌落總數和HPC檢測結果

供水系統不同采樣點生物安全指標情況如圖1所示。

圖1 供水系統生物安全指標變化Fig.1 Variation of Different Biological Safety Water Quality Indices of Water Distribution System

基于9次水質檢測結果，對比出廠水、供水管網和二次供水取樣點可知，出廠水樣品ATP檢測、菌落總數和HPC均值分別為0.27 pg/mL、0.75 CFU/mL和7.50 CFU/mL；管網采樣點樣品ATP檢測、菌落總數和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。盡管在供水系統不同月份、不同位置的采樣點總大腸菌群均未檢出，但檢測結果表明二次供水樣品中微生物含量較高，存在一定的風險。

分析沿輸水管線上4個管網取樣點，對比每次數據可知，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管網取樣點依次增高，最后一個取樣點數值明顯高于其余各點，而總氯含量從出廠到管網末梢逐步降低。在二次供水采樣點中，龍頭水采樣點微生物指標均高于泵房出水采樣點，由此可見，目前供水系統生物安全的主要風險點在于二次供水環節。研究表明，水的停留時間對水中消毒劑含量和微生物組成均會產生影響[6]。對比不同供水模式采樣點，工頻泵+高位水箱供水小區龍頭水較泵房出水微生物含量增長最多，在C高層小區，用戶龍頭水較泵房出水菌落總數提升138.2%，HPC提升131.1%，ATP提升158.8%。由此可見，對于工頻+水箱供水小區需通過管道材質優選、水齡控制等途徑降低余氯衰減，減少微生物再生長的情況。

不同季節變化如表4所示。在冬季，總氯平均含量較高，ATP、菌落總數和HPC處于全年最低水平；在夏季，總氯含量較低，余氯在管網中衰減較快，ATP、細菌總數和HPC含量為全年最高，因此，針對夏季生物安全風險的控制尤為重要。

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

2.2 供水系統不同供水模式小區生物安全指標影響因素研究

基于市政取樣點和小區不同供水單元取樣點的數據，對其中微生物指標與其他水質指標的相關性進行分析，如表5所示。

表5 水質檢測指標相關性Tab.5 Correlation of Different Water Quality Indices

ATP與總氯顯著負相關(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數顯著正相關(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負相關(R=-0.270,P<0.05)，和溫度顯著正相關(R=0.322,P<0.05)；菌落總數和HPC顯著正相關(R=0.724,P<0.05)，與溫度顯著正相關(R=0.268,P<0.05)；總氯與溫度顯著負相關(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數、HPC等相關性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關性較好，能較好地反映水中微生物指標情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP和HPC均與總氯顯著負相關，與溫度正相關，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。

對比各類型采樣點位置的數據，管網采樣點中，就總氯含量而言，水廠總氯質量濃度控制在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號市政采樣點中總氯質量濃度略有下降，為0.78～0.90 mg/L；管網水流經B、C、D小區到達供水末梢4號市政采樣點時總氯質量濃度沒有明顯下降，為0.67～0.90 mg/L。各點總氯呈現夏天比冬天略低的現象，說明夏天管網氯消耗略高，但從直供點末端總氯值而言，出廠水的氯控制濃度足夠。就ATP含量而言，水廠出水最大質量濃度為0.63 pg/mL, 而市政采樣點的ATP質量濃度均小于0.78 pg/mL，各管網采樣點呈現夏天比冬天高的現象。

二次供水(泵房出水，用戶龍頭)的ATP含量都呈現夏天比冬天高的現象，而且數值上比上一直供管網點高，這與之前傳統培養法得到的研究結論相一致[7]。總氯值出現夏季比冬天略低的現象，這說明在管網和二次供水設施內，夏天總氯消耗得多，而微生物的繁殖略顯旺盛。C小區的2樓采樣點中，ATP的含量比大多數管網點高(9個點中有5個質量濃度超出0.70 pg/mL)，且和總氯值出現明顯的季節性變化(從8月—次年2月，ATP逐步降低，總氯逐步增加)，而且和HPC、菌落總數的趨勢一致(8月—9月HPC和菌落總數也比較高)。ATP的檢測快速、準確地發現了這一取樣點的水質問題。

2.3 基于ATP檢測的供水系統生物安全指標限值研究

針對9次檢測數據進行統計學分析，取菌落總數、HPC或渾濁度符合本地限值的樣品的ATP結果值，用Grubbs檢驗去掉離群值，用剩下數據的平均值+3倍標準偏差估計基準值，統計結果如表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及菌落總數地方標準限值對應的ATP基準值，建議取該值來評估管網水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即當ATP質量濃度小于1.30 pg/mL或1.80 pg/mL時，分別對應HPC和菌落總數達到上海市地方標準《生活飲用水水質標準》(DB 31/T 1091—2018)。這個ATP基準值與ATP設備供應商提供的建議限值(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檢測結果看，二次供水的水質隨著小區管線水流方向變差，夏季尤其明顯。比如，A小區泵房水泵出水夏季ATP質量濃度為0.40～0.96 pg/mL，用戶龍頭水中為1.01～1.73 pg/mL；C小區和D小區更為明顯，用戶龍頭水中ATP質量濃度達到2.53～17.67 pg/mL。在夏季，供水管網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險，需對二次供水系統的生物安全保障技術進行研究，提升水質安全保障能力。根據2.2小節相關性研究結果，總氯與生物安全指標顯著負相關，因此，可以通過保障龍頭水的總氯含量，保障生物安全。基于ATP限值倒推所需的總氯含量，將ATP質量濃度低于1.3 pg/mL時對應的總氯數據進行統計，將最高總氯含量確認為總氯的控制值，結果表明當總氯質量濃度高于0.28 mg/L時，可以滿足ATP質量濃度低于1.30 pg/mL，保障生物安全。因此，想實現用戶龍頭水水質的持續安全穩定，需要對整個供水流程中出現的風險點進行評估，從每個環節上分析可能存在的問題[8-9]，如二次供水系統中管道和水池(箱)材質表面生物膜的生長、較長的停留時間導致的消毒劑衰減等，減少出廠之后被二次污染的可能性，基于更多時效性強的監測指標，快速反應系統內可能存在的問題，從而持續穩定保障用戶優質飲水。

3 結論與展望

目前，供水片區的主要水質安全風險點為生物安全指標(ATP、菌落總數和HPC)，微生物指標受季節影響較大，夏季在居民龍頭水處可能存在一定風險。

生物安全指標與其他水質指標的相關性研究結果表明：ATP與總氯顯著負相關(R=-0.565,P<0.05)，與HPC顯著正相關(R=0.305,P<0.05)，與溫度顯著正相關(R=0.363,P<0.05)；HPC和菌落總數顯著正相關(R=0.724,P<0.05)，與總氯顯著負相關(R=-0.270,P<0.05)，與溫度顯著正相關(R=0.322,P<0.05)；總氯與溫度顯著負相關(R=-0.287,P<0.05)；渾濁度與菌落總數、HPC等相關性不顯著。由此可見，ATP與HPC相關性較好，能較好地反映水中微生物指標情況，主要受溫度和總氯的影響。ATP、HPC和菌落總數均與總氯顯著負相關，與溫度正相關，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及菌落總數地方標準限值對應的ATP基準值，建議取該值來評估管網水或者末梢水(用戶水龍頭)的微生物量，即ATP質量濃度低于1.30 pg/mL可初步判斷作為ATP檢測生物安全控制限值。基于ATP限值倒推所需的總氯含量，當總氯質量濃度高于0.28 mg/L時，可以滿足ATP質量濃度低于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，在供水系統中應對突發水質事件的過程中有很多可以嘗試的應用場景。例如在水廠臭氧生物活性炭工藝后，能通過ATP檢測及時確認活性炭生物泄露情況；在二次供水泵房后，通過ATP檢測能及時反應二供系統的生物安全問題；在管道沖洗消毒后，通過ATP檢測能及時反應沖洗消毒效果等。后續可以對該檢測方法進一步進行推廣研究。