建筑熱水系統(tǒng)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(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092)

建筑供水系統(tǒng)由建筑冷水系統(tǒng)和建筑熱水系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的水溫相比冷水系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(xù)有軍團菌散發(fā)和小規(guī)模暴發(fā)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(nèi)外對建筑供水系統(tǒng)全流程中軍團菌的分布了解尚不充分，在營養(yǎng)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(qū)實際賓館(以下簡稱“J賓館”)的建筑熱水系統(tǒng)為研究對象，分析實際建筑熱水系統(tǒng)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(yǎng)物質對軍團菌生長的影響，為研究建筑熱水系統(tǒng)中軍團菌存在規(guī)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(tǒng)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(tǒng)采用鋼塑復合管。綜合考慮建筑熱水系統(tǒng)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(wǎng)，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(jù)《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(xiàn)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(tǒng)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(shù))。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(tǒng)計分析方法

運用SPSS(version 25)軟件進行統(tǒng)計學分析，采用非參數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)水中細菌的賦存水平

J賓館建筑熱水系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的軍團菌含量已經(jīng)處于危險閾值內(nèi)，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(tǒng)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(yǎng)”(viable but non-culturable，VBNC)狀態(tài)，增強其對不利環(huán)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(guī)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(wǎng)、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(jié)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(tǒng)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(guī)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?？偮鹊难杆偎p也是J賓館熱水系統(tǒng)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(wèi)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(xiàn)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(wèi)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(yǎng)元素，建筑給水系統(tǒng)屬于貧營養(yǎng)環(huán)境，營養(yǎng)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(wěn)定性指標，檢測結果如圖4所示。

圖4 J賓館供水系統(tǒng)中營養(yǎng)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(tǒng)計學分析表明J賓館DOC、TN與季節(jié)、采樣點間差異均不顯著。

市政供水管網(wǎng)水中AOC較低且比較穩(wěn)定，建筑內(nèi)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(yǎng)菌再生。因此，J賓館建筑熱水系統(tǒng)生物穩(wěn)定性較差。如圖4(d)所示，MAP隨供水距離增加呈現(xiàn)平穩(wěn)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(yǎng)物質對軍團菌生長繁殖的影響將在2.4小節(jié)闡述。

J賓館熱水系統(tǒng)的異養(yǎng)菌平板計數(shù)(HPC)如圖5所示?！渡顭崴|標準》(CJ/T 521—2018)中規(guī)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(guī)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(tǒng)中HPC變化

2.3 熱水系統(tǒng)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(tǒng)中軍團菌等細菌，結果如圖6所示。

圖6 J賓館供水系統(tǒng)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(tǒng)末梢管壁生物膜中均檢出嗜肺軍團菌，與2.1小節(jié)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(xù)處于VBNC狀態(tài)[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(nèi)，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(tǒng)中的含量[15]。

2.4 營養(yǎng)物質對軍團菌生長影響試驗

本研究根據(jù)建筑熱水系統(tǒng)的實際水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)，為探究不同溫度下營養(yǎng)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(tǒng)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(yǎng)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(yǎng)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(shù)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(tǒng)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(shù)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(huán)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(tǒng)(給水系統(tǒng)和熱水系統(tǒng))軍團菌檢出率為100%，給水系統(tǒng)中未檢出嗜肺軍團菌，但熱水系統(tǒng)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。