水厂处理过程中管道机会致病菌增殖特征及影响机制研究
导语：饮用水处理单元是保障城市供水微生物安全的核心屏障，管道机会致病菌（OPPPs）可在净水工艺中发生增殖，成为供水链中不容忽视的生物安全风险源。李伟英课题组针对给水处理全流程开展多水厂四季原位监测，解析机会致病菌在净水工艺中的增殖热点、消毒剂敏感性差异及其驱动机制，为饮用水系统微生物安全防控提供科学依据。
第一作者：蔡松楷
通讯作者：李伟英教授
通讯单位：同济大学环境科学与工程学院
论文DOI：10.1016/j.watres.2026.126801
研究背景与科学问题解析
研究背景：管道机会致病菌主要包含分枝杆菌、军团菌、铜绿假单胞菌等，该类微生物毒力虽弱于传统粪源致病菌，但可对免疫缺陷人群、老人及儿童造成严重感染，已成为城市供水系统新兴生物安全隐患。现有研究多关注管网及建筑末端供水，针对完整水处理工艺流程内机会致病菌的原位追踪研究仍然不足，净水单元内部的增殖热点、季节变化规律尚未得到充分揭示。常规水处理以粪源指示菌作为微生物管控指标，该评价体系能否反映机会致病菌风险有待验证。
科学问题：
1.完整饮用水处理工艺各单元中，机会致病菌的赋存水平、季节变化特征如何，是否存在工艺增殖热点？
2.不同机会致病菌对氯消毒的耐受能力是否存在显著差异；水质因子、微生物群落如何共同调控机会致病菌的增殖行为？
3.现有常规水处理与消毒工艺对机会致病菌的控制效能如何，传统微生物指标能否表征该类病原风险？
研究技术路线与实验方案：
1.选取我国华东及东南沿海4座实际饮用水厂，覆盖河流水、水库水两类水源，跨春夏秋冬四个季度开展原位采样，采样点位涵盖原水、混凝沉淀、砂滤、臭氧‑生物活性炭（O₃‑BAC）、出厂水全处理链条。
2.采用PMA‑qPCR技术选择性检测具有完整细胞膜的活菌型机会致病菌，定量解析分枝杆菌、军团菌、铜绿假单胞菌在各工艺单元的丰度变化；同步测定理化、金属、有机及多项微生物指标。
3.结合16SrRNA高通量测序解析细菌群落结构，通过相关性统计分析揭示水质参数、群落互作与机会致病菌赋存的内在关联，阐明机会致病菌在净水工艺中的增殖驱动机制。
主要研究创新点：
1.基于多水厂四季原位监测，证实臭氧‑生物活性炭单元是机会致病菌关键增殖热点，工艺会向后续管网输出机会致病菌“种子源”。
2.明确不同机会致病菌存在显著的氯敏感性分化：铜绿假单胞菌耐氯能力最强，军团菌对氯相对敏感，分枝杆菌处于中间耐受水平。
3.证实传统常规处理及氯化消毒难以彻底去除机会致病菌，仅满足粪源微生物指标，无法保障供水系统机会致病菌生物安全。
4.揭示水质条件、季节效应、种间抑制/促进的微生物互作共同介导机会致病菌增殖，为工艺靶向优化提供新思路。
研究科学价值与实践意义：该研究系统厘清了机会致病菌在给水处理全流程的增殖规律与主控机制，识别净水工艺风险点位，指出现行处理体系的防控短板，为面向机会致病菌风险的水厂运行优化、季节性调控以及供水全链条生物安全管控提供理论支撑与实测依据。
研究逻辑框架
本研究立足于城市供水系统机会致病菌带来的新兴生物安全风险，聚焦现有水处理工艺对机会致病菌控制效能不明、工艺增殖热点识别不清的科学问题。传统饮用水安全评价多依赖粪源性指示微生物，无法反映分枝杆菌、军团菌、铜绿假单胞菌这类管道机会致病菌的真实风险；同时多数研究聚焦输配管网与建筑末端，缺少对多水厂、跨季节的全工艺链条原位追踪，难以识别净水单元内部的风险位点。
基于上述研究缺口，本研究选取4座实际规模水厂开展四季原位采样，采用PMA qPCR靶向检测膜完整的活菌机会致病菌，追踪病原在原水至出厂水各处理单元的动态变化。结合水质理化、金属、有机指标与高通量测序数据，解析水质条件、季节波动、微生物群落互作对机会致病菌的调控作用。研究识别出臭氧 生物活性炭为机会致病菌关键增殖热点，阐明三类典型机会致病菌的氯敏感性差异，证实常规处理消毒工艺对机会致病菌控制存在局限。本研究成果可为饮用水厂工艺优化、运行参数季节性调整，实现供水系统机会致病菌源头管控提供科学参考。
监测结果与数据分析
本研究构建多水厂、多季节的给水全流程原位监测体系，实现从水源到出厂水机会致病菌的全过程追踪。
在采样方案层面，研究覆盖华东地区4座实际水厂，包含河流型、水库型两类水源，分春夏秋冬四个季度完成样品采集，完整捕捉季节温度、水源水质波动带来的影响；监测点位覆盖水处理全部核心单元，能够客观反映实际工程条件下机会致病菌的变化规律。
本研究核心科学问题：在实际饮用水处理全流程中，机会致病菌的赋存与增殖规律是什么？水质条件、消毒过程与微生物群落如何共同影响机会致病菌？
1.机会致病菌的工艺分布及季节演变特征：分枝杆菌在各工艺出水检出率接近100%；军团菌、铜绿假单胞菌在工艺单元广泛检出。臭氧‑生物活性炭单元是机会致病菌的关键增殖热点，臭氧氧化生成可同化有机碳，活性炭滤料表面生物膜为病原提供庇护与底物，造成分枝杆菌、军团菌丰度显著升高，成为向管网输送机会致病菌的“种子源”。部分季节条件下混凝沉淀单元也存在病原增殖风险。机会致病菌存在明显季节差异，春夏季整体检出水平更高，与水温升高、消毒剂衰减相关。
2.典型机会致病菌的消毒敏感性分异特征：PMA‑qPCR结果证实三类病原耐氯能力存在明显分化：铜绿假单胞菌耐氯能力最强，军团菌对氯最为敏感，分枝杆菌耐氯水平居中。常规氯化消毒可对军团菌实现较好控制，但难以完全灭活铜绿假单胞菌与分枝杆菌，出厂水中仍可检出具有完整细胞膜的活菌。
3.水质环境因子对机会致病菌的调控效应：总溶解固体、浊度、pH、游离氯、金属离子、可同化有机碳均会不同程度影响机会致病菌丰度。铁、锰表现出浓度依赖性效应，高浓度原水条件下对病原呈抑制效应，低浓度处理后水体中表现为正相关趋势；锌、铜离子整体表现抑制作用。可同化有机碳与铜绿假单胞菌呈正相关，说明有机质底物是驱动增殖的重要条件。
4.微生物群落结构演变与种间互作机制：高通量测序结果表明水处理各单元群落组成发生显著演替。部分菌属如乳杆菌存在对机会致病菌的潜在抑制效应；氢噬胞菌等菌属可分解复杂有机物，为机会致病菌供给小分子底物，表现促进作用。消毒会筛选出耐氯菌群，改变群落稳定性，间接影响机会致病菌的存续。
5.现有工艺效能评估与方法学约束：传统混凝沉淀‑砂滤‑氯化消毒工艺，对粪源指示菌可实现高效去除，但对机会致病菌去除效果有限，甚至部分单元会发生增殖。满足传统饮用水微生物指标，不等于可以控制机会致病菌风险。同时研究指出，PMA‑qPCR仅表征细胞膜完整性，不等同于可培养致病性，该结果用于风险评估仍存在局限性，后续需结合培养法开展验证。
综上，本研究并非简单的水质检测，而是面向供水源头机会致病菌风险的全链条实证研究。立足多水厂原位实测，识别水处理工艺内部增殖热点，解析水质、消毒、微生物群落的多重调控机制，推动机会致病菌风险评估从管网末端溯源向上延伸至净水厂源头，对完善城市供水全链条微生物安全防控具有重要参考价值。
主要研究发现与证据支撑
基于多水厂四季原位监测，识别臭氧‑生物活性炭是机会致病菌关键增殖热点，阐明不同机会致病菌的氯敏感性分化特征，揭示水质因子与微生物互作的多重驱动机制，从源头层面认识供水系统机会致病菌生物安全风险。
证据一：工艺增殖热点识别
分枝杆菌、军团菌、铜绿假单胞菌在各水处理单元广泛检出；臭氧‑生物活性炭单元可造成机会致病菌丰度显著上升，成为向输配管网输出病原的种子源；秋季混凝沉淀单元同样观测到病原大幅增殖现象。
证据二：机会致病菌氯敏感性分异规律
军团菌对氯化消毒相对敏感；分枝杆菌耐氯能力中等；铜绿假单胞菌表现出最强的耐氯特性，氯化消毒后出厂水中仍可检出膜完整的活菌，证实单一氯化消毒手段不足以实现全部机会致病菌的有效控制。
证据三：水质因子与季节效应影响
水温升高的春夏季机会致病菌整体风险更高；总溶解固体、pH、游离氯、金属离子、可同化有机碳与机会致病菌丰度显著相关；铁锰存在浓度依赖效应，锌、铜整体表现抑制作用，有机质底物会助推病原增殖。
证据四：微生物群落的调控作用
水处理工艺驱动细菌群落显著演替；部分本土菌属对机会致病菌存在抑制效应，另有部分菌属通过分解有机物提供底物，间接促进机会致病菌生长，微生物种间互作是不可忽视的调控因素。
证据五：现有评价体系的局限性
常规水处理对传统粪源指示菌去除效率很高，但对机会致病菌控制效果有限，仅依靠现有饮用水微生物指标无法表征机会致病菌带来的生物安全风险。PMA‑qPCR仅反映细胞膜完整性，不等于致病性与可培养性，风险评估仍存在方法学约束。
论文主要图片
图1 饮用水处理厂各工艺单元检出的管道机会致病菌基因拷贝浓度
(a)分枝杆菌；(b)军团菌；(c)铜绿假单胞菌；(d)总细菌。
缩写说明：RW，原水；SE，混凝沉淀出水；SF，砂滤出水；CF，活性炭滤出水；FW，出厂水。
数据以平均值±标准差表示。采用克鲁斯卡尔‑沃利斯检验（结合Dunn事后检验与Bonferroni校正）对各工艺单元内部的季节差异进行统计比较，(p<0.05)判定为具有统计学显著性；显著的季节差异详见正文3.1节。
图2 饮用水处理厂常规理化指标与管道机会致病菌丰度的相关性
图3 金属离子、微生物指标与机会致病菌丰度相关性
图4 饮用水处理厂细菌群落层级结构
缩写说明：MF，膜过滤出水（仅适用于C2水厂；膜过滤样本不参与跨水厂统计对比，样本数n=12）
图5 饮用水处理厂细菌群落分析结果
(a)克鲁斯卡尔‑沃利斯检验，展示在不同工艺单元间丰度存在显著差异的菌属；(b)各处理工艺的群落平均变异度（AVD）；(c)不同工艺单元共有及特有菌属的韦恩图。
膜过滤（MF）样本仅来自C2水厂（样本数n=12），该部分样本参与群落分析；但膜过滤工艺并未在全部4座水厂配置。
图6 饮用水处理厂内优势菌属与管道机会致病菌（OPPPs）的相关性
