建筑供水管道材料對水化學性質、微生物群落和條件致病菌的交互影響機制研究進展

張 悅,胡宇星,周 爽,芮 旻,趙建夫,王 虹,*

(1.同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092;2.同濟大學醫學院,上海 200092;3.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

建筑供水管網是配水系統的“最后一公里”。建筑供水管網具有水停滯時間長、溫度相對較高和消毒劑濃度低等特點[1],為微生物生長提供了良好的條件。根據《建筑給水排水設計標準》(GB 50015—2019),建筑供水管網材料主要包括金屬管材(如不銹鋼、銅)和塑料管材[如無規共聚聚丙烯(PPR)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)等]。塑料管材成本低,易于切割安裝,使用占比較高。銅管具有抗菌性,在國外的建筑物管網中常見,國內目前主要在機場、別墅等場景中有所應用。不銹鋼管耐腐蝕、金屬離子浸出量少,但造價高,隨著高品質供水的普及,不銹鋼管正成為新住宅用戶的首選管材,未來將呈現較大增長趨勢。建筑供水管道材料可通過浸出有機物和金屬離子、與消毒劑反應[2]等方式影響水化學性質,直接(管材表面粗糙度、化學活性等)或間接(在水化學性質的作用下)地影響飲用水微生物載量和群落結構,甚至影響病原體定殖。

近年來,一類新型飲用水條件致病微生物(opportunistic pathogens,OPs)引起了國內外社會的關注。常見的OPs包括嗜肺軍團菌、非結核分枝桿菌、銅綠假單胞菌等原核微生物,以及棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等真核微生物。它們具有較強的消毒劑抗性,耐熱(可在>60 ℃的熱水中存活),適應寡營養水環境,具有在建筑供水管網中大量繁殖的潛勢[3]。OPs可以通過呼吸吸入、皮膚接觸等方式侵入人體,對老齡、免疫系統受損等易感人群構成嚴重的健康威脅[4]。本文綜述了建筑供水管道材料對水化學性質和微生物群落結構的影響,著重分析管材通過直接、間接的方式對OPs定殖和生長的作用機制,并提出了深化認識供水系統中真核微生物群落結構多樣性及新興管材的微生物安全風險的研究需求。

1 管材對水化學性質的影響

1.1 有機物的釋放

塑料管材由有機聚合物制成,由于制管工藝中抗氧化劑和增塑劑等添加劑的使用,管材表面可浸出有機磷[5]、有機碳等有機化合物[6](表1[7-11])。Lehtola等[12]通過中試研究發現,PE管出水磷的濃度相比于進水口明顯增加,出水微生物可利用磷(MAP)濃度是進水口的10～15倍。Zhang等[13]在模擬管網中發現,PE管中的水在停滯48 h后,總有機碳(TOC)質量濃度從0.19 mg/L增加到0.34 mg/L。

表1 不同塑料管材添加劑及主要浸出有機物Tab.1 Main Leached Organic Compounds of Different Plastic Pipe Additives

不同塑料管材有機物浸出量和速率存在差異。PVC管中添加劑主要含金屬穩定劑[14],而PE管和PPR管中含有較多的抗氧化劑、增塑劑等有機添加劑,因此,其浸出液有機物含量和種類較多[13](表1)。Heim等[15]對比了高密度聚乙烯(HDPE)管和氯化聚氯乙烯(cPVC)管中浸出的有機物含量,發現HDPE管水相TOC濃度是cPVC的2倍。Zhang等[8]在模擬管網中發現,停滯24 h,PE管的TOC遷移率是PPR管的3倍,是未增塑聚氯乙烯(uPVC)管的10倍。

部分研究[8]表明,隨著塑料管材使用時間的增加,浸出到水中的TOC會顯著減少。雖然早期TOC濃度下降較快,但塑料管材會長期保持一定濃度的有機物浸出。Lund等[16]發現,交聯聚乙烯(PEX)管的有機物浸出量至少可以在12個月內相對穩定。

1.2 金屬離子的浸出

建筑供水管網中銅管、不銹鋼管及其他金屬元件的使用,可導致金屬離子的浸出。Inkinen等[17]對實際建筑供水管網的研究發現,銅管出水口的總銅含量是進口處的7.8倍。銅管中銅離子可通過電子轉移反應,在形態變化(如:形成水垢)和傳質過程中釋放[18]。此外,氯消毒劑也可以與銅管反應生成氯化亞銅(Ⅰ)或氯化銅(Ⅱ),加速銅離子的浸出[19]。黃海[20]在氯消毒的模擬管網中發現,不銹鋼管運行14個月后,鐵離子質量濃度從0.05 mg/L上升到0.13 mg/L,且低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)的限值(0.3 mg/L)。不銹鋼管浸出的鐵離子較鑄鐵管少,這可能與不銹鋼管性質較為穩定有關。然而,一旦不銹鋼管表面的氧化鉻膜被破壞,消毒劑會與不銹鋼管發生反應導致局部腐蝕,生成亞鐵/鐵氧化物和氫氧化物[21]。塑料管材上的黃銅部件由于脫鋅腐蝕反應會浸出鋅[22]。銅/鉛復合管和PVC管(含約1%的鉛)中可浸出少量的鉛[23]。Lasheen等[24]發現,停滯2周時,PVC管中鉛離子的浸出量高達0.09 mg/L,遠高于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)的限值(0.01 mg/L)。由于鉛離子超標易引起鉛中毒,目前,我國已禁止給水管道使用含鉛管材及管件。

1.3 消毒劑的降解

供水管網通常使用氯、氯胺等消毒劑控制飲用水微生物數量。管材管壁腐蝕產生的結節、生物膜,以及管材中浸出的金屬離子和有機物均能與消毒劑反應,加速消毒劑降解[25]。

不同管網材料與消毒劑的反應速率存在較大差異。多項研究[19,26-27]表明,相比于塑料管材,銅管更容易加速消毒劑的降解。Lehtola等[19]在模擬管網中發現,相比于進水,PE管出水的氯含量下降31%,銅管出水的氯濃度下降78%。銅管上腐蝕產物(如氫氧化銅)可與氯胺、氯發生反應,加速消毒劑的降解[28]。塑料管(如PEX管)中余氯降解可能與管材浸出的抗氧化劑或聚合物有關[15]。不銹鋼管由于其表面具有一層抗腐蝕的氧化鉻膜,有良好的耐腐蝕性,不易與消毒劑發生反應,但一旦產生局部破壞,會發生點蝕[29],進而加速消毒劑降解[30]。

可見,管材通過浸出有機物和金屬離子、加速消毒劑降解,對水化學性質產生影響。然而,目前尚缺乏在管材影響下對水化學性質進行短期或長期的風險評估,值得今后進一步加強研究討論,以確保水質的穩定和安全。

2 管材對微生物載量和群落組成的影響

2.1 微生物載量

因不同管道材料的物理界面(粗糙度)、化學活性等存在差異,細菌在其表面黏附和生長能力也有所不同[31]。多項研究[12,32]表明,塑料管(如PPR、PE等)的細菌載量顯著大于金屬管(如銅管、不銹鋼管)。Lehtola等[12]利用中試配水系統研究銅和PE管表面生物膜的形成速度,發現PE管上生物膜形成速度較銅管快,在37 d內微生物量快速增加并達到亞穩定狀態。Shan等[32]在模擬管網中發現,PPR管生物膜生物量始終顯著高于不銹鋼管。一方面,塑料管道表面自身性質有利于細菌附著和生物膜的形成[31]。另一方面,塑料管道表面容易浸出可降解有機物,為細菌提供額外營養源。不銹鋼管表面含鉬基氧化物,具有抗菌性[30],能抑制細菌生長。同時,不銹鋼管具有親水性[25],可以減少細菌黏附。Learbuch等[33]在模擬管網中,對比PVC管和銅管生物量時發現,銅管生物膜上生物量最低。一般認為,銅管表面具有較高的抗菌性,能減緩生物膜的形成[34]。銅使細菌失活機制的假設有兩種[35]:一是銅離子與帶負電荷的細胞膜相互作用導致細胞裂解;二是銅誘發氧化還原反應(亞銅離子和銅離子之間的價態轉化)導致細胞氧化損傷。然而,長時間管網運行可能使銅管失去抑菌效果。研究[36]表明,雖然銅管使用前期生物膜形成較為緩慢,但隨著時間的流逝(100～300 d),其表面生物載量與其他材料(例如不銹鋼和塑料)差異不大。這可能與生物膜中的細菌產生對銅抗性有關。

2.2 群落結構多樣性

管道材料除了影響微生物載量外,還可以影響群落結構的多樣性。不同管材的生物膜中微生物群落結構存在較大差異(表2)。例如,Ren等[37]在實際供水管網中的研究發現,α-變形菌在不銹鋼管中相對豐度是PVC管中的3倍,不銹鋼管Shannon指數(1.44)低于PVC管(2.16)。研究[38]表明,微生物在管道中呈現非均質分布,由于重力,管道底部存在沉積物,同一管段的上、下部分的生物膜微生物群落結構多樣性存在差異。此外,管材底部的沉積物可提供缺氧微環境,更有利于厭氧微生物(如Holophagafetida)的定殖[38]。

表2 管材對微生物群落結構多樣性的影響Tab.2 Effect of Pipe Materials on Microflora Structure

2.3 具有管網腐蝕作用的特定微生物的富集

金屬管材有利于某些特定微生物的富集,引起微生物介導的管網腐蝕和物質溶出。例如,德氏食酸菌、克氏微球菌等細菌容易生長在銅管生物膜中,誘導銅管腐蝕,促進銅離子的浸出[43]。鐵質管材的腐蝕區域易富集鐵氧化菌、鐵還原菌等。假單胞菌屬和絲狀細菌等鐵氧化菌多在含鐵管材(不銹鋼管和球墨鑄鐵管)中檢出,可加劇管道腐蝕和鐵離子結節形成[44]。硫酸鹽還原菌是一類厭氧細菌,多生長在銹垢和沉淀物內部,通過將硫酸鹽還原為硫化物,導致銅管、不銹鋼管發生點蝕或厭氧腐蝕[29]。硫酸鹽還原菌和鐵氧化細菌之間的相互作用也可以加速鐵管腐蝕[5]。

3 管材對OPs的影響

OPs是供水管網土著微生物,具有耐高溫、抗消毒劑等特性,在建筑供水管道中可自然定殖、持續存在和繁殖[45]。不同的OPs之間還存在復雜的生態學相互作用。例如,棘阿米巴、福氏耐格里阿米巴等阿米巴原蟲可以作為軍團菌、非結核分枝桿菌的宿主,提高它們在飲用水中的抗消毒劑能力、繁殖速率和致病性[46-47]。建筑供水管網管材的多樣化造就了復雜的管網微環境,可對OPs的定殖和生長產生影響(圖1)。

圖1 建筑供水管網微環境對OPs生長的影響Fig.1 Influence of Building Plumbing Microenvironment on OPs Growth

3.1 管材對OPs的直接影響

塑料管材能釋放有機物,為OPs生長提供營養物質。PVC管道可以浸出60～50 000 μg/L的TOC,其中約50%是可同化有機碳[6]。研究[48]表明,相比于金屬管道,塑料管道更容易促進OPs生長。例如,Mullis等[49]在生物膜環形反應器中發現,相比于玻璃和銅,PEX上黏附的鳥分枝桿菌數量更多。但由于OPs屬寡營養微生物,建筑供水管網中低有機碳濃度的環境也不會限制所有OPs的生長。例如,鳥分枝桿菌可以在質量濃度低至50 μg/L的可同化有機碳條件下生存[50]。

銅管浸出的可溶性銅離子具有抗菌性,能抑制軍團菌[33,51]、銅綠假單胞菌[52]和非結核分枝桿菌[49]的生長,或誘導使其處于活的但不可培養狀態(viable but nonculturable,VBNC)[53]。Dwidjosiswojo等[54]研究銅管中銅離子的浸出對銅綠假單胞菌的影響時發現,銅綠假單胞菌在飲用水常見的銅質量濃度下(1 mg/L),24 h后會喪失可培養能力,但一旦銅離子被去除,可完全恢復可培養性和細胞毒性。然而,水化學性質[如天然有機物(NOM)、磷酸鹽濃度]會通過沉淀和絡合作用,降低銅管中可溶性銅離子的含量,減弱銅管的抗菌性。Song等[55]研究發現,在pH值=7時,添加3 mg/L磷酸鹽和5 mg/L NOM,銅離子對軍團菌的抗菌作用分別降低了4倍和7倍。不銹鋼管在建筑供水管網中的使用頻率逐年增多,目前僅有少量研究報道了不銹鋼管對微生物群落結構、生物量的影響,并未關注不銹鋼管對OPs的影響。

3.2 管材與其他因素相互作用對OPs的影響

管網環境錯綜復雜,如長停滯時間、水溫變化、消毒劑降解等因素均可能與管材發生交互作用,進而影響OPs的定殖和生長。此外,實際供水管網中,供水主管網管材也會對下游建筑供水管網管材中OPs的定殖產生影響。管道材料和不同類型消毒劑的相互作用對OPs影響顯著。Buse等[48]在生物膜環形反應器的研究中發現,氯胺消毒劑對銅管生物膜上嗜肺軍團菌的滅活作用優于PVC,使用氯時則相反。一方面,該反應器中銅管生物膜比PVC厚,而氯胺對生物膜的滲透力更強;另一方面,相比于PVC管,氯與銅管腐蝕產物發生反應加速消毒劑降解[28]。Norton等[56]在中試系統中研究發現,在未發生腐蝕的銅管生物膜上,氯消毒對鳥分枝桿菌的控制效果更好;而在發生管道腐蝕的鐵管上,氯胺對鳥分枝桿菌的控制效果較好。這與管材腐蝕產物對自由氯消耗量較大有關[26]。一般而言,氯胺滲透生物膜的能力比氯強,但氯能更有效地滅活水相和生物膜表面附近的微生物[48]。建筑供水管網存在冷、熱水管線,溫度變化范圍大。OPs是喜溫微生物,與冷水系統相比,在特定溫度和流速下,熱水系統的OPs濃度往往更高[17]。溫度的變化也可影響銅管中OPs的生長潛勢。Proctor等[57]研究不同溫度(32～53 ℃)下銅管和PEX管對OPs影響時發現,當溫度高于41 ℃,銅管中嗜肺軍團菌數量顯著增多。這是由于銅管中浸出的具有抗菌性的可溶性銅隨溫度的升高而減少,無法抑制嗜肺軍團菌的生長。

另外,上游供水主管網管材[58]、水停滯時間[59]等因素也會影響建筑供水管網中OPs的定殖。Lu等[60]研究發現,上游銅管降低了下游生物膜中的微生物多樣性,促進了嗜肺軍團菌的定殖。也有研究[61]發現,耐腐蝕塑料代替上游舊管道,可顯著性減少下游分枝桿菌的數量。Ley等[62]在一棟綠色建筑的實際采樣中發現,PEX管中軍團菌數量隨著水停滯時間的增加而增加。

4 總結與展望

管材是影響飲用水化學性質和微生物學特征的重要工程因子。在建筑供水管網系統中,管材在停滯時間、溫度、消毒劑等因素的影響下,形成了復雜的微環境,對微生物群落結構和OPs的定殖產生了顯著的影響。目前,雖然各國學者針對管材對OPs的影響這一研究方向展開了不同程度的探索,但仍存在許多研究空白。例如,不銹鋼管在建筑供水管網中的使用頻率逐年增多,但尚未有研究關注不銹鋼管中OPs的生長特性。鑒于近年不銹鋼管在高品質供水小區的大規模應用,評估不銹鋼管環境條件下微生物,尤其是OPs的再生長潛能具有實際研究價值。

現有研究多針對于原核微生物群落進行分析,對真核微生物的探索較少。然而,在飲用水系統中廣泛存在的真核微生物,如賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲以及阿米巴原蟲等原生動物等,可對人體造成健康威脅,目前針對管材對真核微生物群落結構的研究較少。此外,現有研究已證明,真核微生物會影響原核微生物生長和繁殖,如自由生活阿米巴可作為軍團菌、分枝桿菌等的宿主以躲避消毒劑的滅活作用。因此,有必要針對阿米巴原蟲等真核微生物展開研究,探討管材影響下阿米巴原蟲定殖能力、群落組成,以及與阿米巴共生的軍團菌等OPs導致的致病風險,進而完善飲用水生物安全評估框架以保障飲用水安全。