文 剛，吳戈輝，萬(wàn)琪琪，常寶春，徐源源，黃廷林

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055)

城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)會(huì)面臨一系列生物風(fēng)險(xiǎn)，包括病毒、細(xì)菌、絲狀真菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物(表1)，其中一些病原生物可能導(dǎo)致水質(zhì)惡化，并產(chǎn)生水媒介傳播疾病。水媒介傳播的致病生物可能會(huì)引起腸道疾病，其中病毒和原生動(dòng)物如隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)(簡(jiǎn)稱(chēng)兩蟲(chóng))具有比致病細(xì)菌更高的傳染性，更易引起感染，但兩蟲(chóng)對(duì)氯有更高的抗性，較難被水中的氯消毒劑滅活。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)對(duì)水中的致病生物有嚴(yán)格規(guī)定，其中大腸桿菌、賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)均不得檢出，細(xì)菌總數(shù)不得超過(guò)100 CFU/mL。此外，水中普遍存在的致病性病毒會(huì)引起一系列急性水致疾病和胃腸道感染[1]。雖然地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有對(duì)藻類(lèi)設(shè)限值，但是水源中的藻細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物會(huì)給飲用水水質(zhì)安全帶來(lái)一系列問(wèn)題，主要體現(xiàn)在產(chǎn)生藻毒素和嗅味、增加含碳(氮)消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物、降低飲用水生物穩(wěn)定性，所以水源中的藻類(lèi)也是主要關(guān)注的生物污染之一。許多致病細(xì)菌、病毒和寄生蟲(chóng)在飲用水中的出現(xiàn)通常會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)出現(xiàn)相對(duì)急性的癥狀和疾病。絲狀真菌污染常被認(rèn)為不會(huì)引起急性疾病，因而在過(guò)去的研究中被長(zhǎng)期忽略[2]。但近幾十年來(lái)的研究表明，飲用水中真菌污染大量存在，會(huì)給環(huán)境和人體健康帶來(lái)許多危害。一方面，真菌污染會(huì)影響飲用水水質(zhì)，主要體現(xiàn)在色、嗅、味的改變和真菌-細(xì)菌生物膜的形成等。另一方面，真菌污染也會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，尤其對(duì)于免疫力低下的病人而言這種感染往往是致命的[3]。因此，真菌污染的危害不容小覷，一旦真菌快速暴發(fā)，會(huì)造成嚴(yán)重的飲用水供水安全問(wèn)題。

表1 城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)常見(jiàn)病原生物污染及危害Tab.1 Biological Contamination and Risk of Common Pathogens in Urban Water Supply System

1 水中真菌在水環(huán)境暴發(fā)會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題

由于絲狀真菌很少引起急性疾病，目前對(duì)水中真菌開(kāi)展的研究較少。供水系統(tǒng)中真菌污染危害的研究多集中于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，水中絲狀真菌會(huì)引發(fā)水體嗅味，產(chǎn)生色度，對(duì)免疫力低下人群造成哮喘、過(guò)敏性肺炎、皮膚感染等疾病。在20世紀(jì)60年代和70年代，國(guó)外先后出現(xiàn)了有關(guān)絲狀真菌導(dǎo)致的飲用水嗅味、氣味以及由絲狀真菌引起的健康問(wèn)題事件[4-6]。在20世紀(jì)80年代和90年代，芬蘭和瑞典報(bào)道了多起由真菌污染飲用水引起的健康以及嗅味問(wèn)題，嚴(yán)重影響人民群眾的生活[2]。近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，人們對(duì)飲用水中真菌的認(rèn)識(shí)逐漸增加。Kikuchi等[7]研究表明，水中存在的球毛殼霉會(huì)產(chǎn)生土臭素，使飲用水出現(xiàn)嗅味。Hageskal等[8]就挪威地表水與地下水的真菌污染問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，地表水的霉菌檢出率可達(dá)69.7%，遠(yuǎn)高于地下水42.3%的檢出率，而曲霉(Aspergillusniger)、青霉(Penicilliumpolonicum)和木霉(Trichodermaharzianum)是檢出率最高的3種霉菌。Sammon等[9]從不同地點(diǎn)不同工藝的水廠、醫(yī)院和學(xué)校采集水樣進(jìn)行了研究，檢測(cè)出了枝孢菌、曲霉、青霉等真菌。Siqueira等[10]研究表明水中的真菌可能會(huì)產(chǎn)生真菌毒素，從而使飲用水產(chǎn)生色度、渾濁度等，而在醫(yī)院，低免疫力的患者易受到曲霉感染，其中煙曲霉是最主要的感染源。Anaissie等[11]研究表明醫(yī)院的自來(lái)水中存在潛在致病真菌，若擴(kuò)散到空氣中則會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的低免疫力患者感染，引起毒性反應(yīng)，造成哮喘、過(guò)敏性肺炎、皮膚感染等疾病[12-13]。

國(guó)內(nèi)對(duì)供水系統(tǒng)真菌污染問(wèn)題關(guān)注較晚。廈門(mén)大學(xué)于鑫教授團(tuán)隊(duì)最早從福建廈門(mén)不同地點(diǎn)采集水樣(地表水、公共用水、住宅用水和水箱水)并進(jìn)行分析，結(jié)果表明地表水樣中真菌的檢出率高于其他水樣，檢出真菌以曲霉、鐮刀菌、青霉、木霉、毛霉和根霉菌為主，并且住宅和公共場(chǎng)所的自來(lái)水中檢出率較高的是鐮刀菌、外瓶霉和瓶霉菌，在特定時(shí)期的水樣中還檢測(cè)到了黃曲霉毒素[14]。此外，于鑫教授團(tuán)隊(duì)還針對(duì)真菌本身性質(zhì)及其代謝的主要次生真菌毒素以及對(duì)人類(lèi)健康的危害進(jìn)行了綜述[15]。前期，西安建筑科技大學(xué)文剛團(tuán)隊(duì)從西安市北郊地下水的226個(gè)水樣中分離出18個(gè)真菌屬，其中青霉屬(15%)、鏈格孢屬(11%)、曲霉屬(10%)、枝頂孢屬(10%)和木霉屬(9%)為檢出的優(yōu)勢(shì)真菌屬，其中多數(shù)都具有一定的致病性、致敏性和致毒性[16]。韓梅等[17]對(duì)北京某水廠的炭砂濾池的生物安全性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明炭砂濾池的出水中存在條件致病菌屬曲霉菌污染情況，并且含量較高，威脅人體健康。王鈺等[18]采用培養(yǎng)法和高通量測(cè)序方法對(duì)上海供水系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原水、凈水后和龍頭水中的優(yōu)勢(shì)真菌各不相同，活性炭過(guò)濾出水真菌數(shù)量和物種豐富度均較前一工藝有所上升；供水系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)真菌為子囊菌門(mén)，該門(mén)真菌可穿透凈水工藝過(guò)程的多級(jí)屏障，但曲霉屬與支頂孢屬因疏水性強(qiáng)和黑色素保護(hù)而存在于各階段中，在城市供水系統(tǒng)造成一定程度的真菌風(fēng)險(xiǎn)。表2總結(jié)了不同種類(lèi)真菌的危害。

從國(guó)內(nèi)外真菌污染的研究中可以發(fā)現(xiàn)，真菌污染在供水系統(tǒng)中廣泛存在，會(huì)對(duì)人類(lèi)健康帶來(lái)許多危害。供水系統(tǒng)中的真菌主要會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：1)產(chǎn)生嗅味(土臭素和2,4,6-三氯苯甲醚)；2)產(chǎn)生真菌毒素，引發(fā)毒性反應(yīng)、皮膚過(guò)敏、過(guò)敏性肺炎和哮喘等；3)絲狀真菌大量繁殖導(dǎo)致肉眼可見(jiàn)顆粒物和渾濁度超標(biāo)；4)增加含碳(氮)消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物。瑞典對(duì)飲用水中(管網(wǎng)末端水)真菌污染有規(guī)定，要求飲用水真菌數(shù)量低于100 CFU/(100 mL)，而其他各國(guó)還沒(méi)有這方面的規(guī)定。因此，飲用水中的絲狀真菌污染應(yīng)引起重視并應(yīng)采取有效措施進(jìn)行控制。

2 真菌的生物學(xué)特性與細(xì)菌差異顯著

真菌與動(dòng)物界、植物界并列，為真菌界。真菌在自然界中至少有10萬(wàn)種，但對(duì)人類(lèi)致病的真菌不過(guò)幾十種。真菌是一類(lèi)異養(yǎng)真核生物，主要包括霉菌(又稱(chēng)絲狀真菌)、酵母菌(單細(xì)胞)和蕈菌(大型真菌)。真菌的基本形態(tài)是單細(xì)胞個(gè)體(孢子)和多細(xì)胞絲狀體(菌絲體)。真菌界分為4門(mén)和1類(lèi)，主要包括壺菌門(mén)、接合菌門(mén)、子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)和半知菌類(lèi)。城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中常見(jiàn)的曲霉、青霉屬于子囊菌亞門(mén)，木霉為半知菌亞門(mén)。

表2 水系統(tǒng)中不同種類(lèi)真菌的危害Tab.2 Risk of Different Species of Fungi in Water System

真菌孢子處于適宜條件時(shí)會(huì)打破休眠狀態(tài)開(kāi)始萌發(fā)，進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。絕大多數(shù)真菌的營(yíng)養(yǎng)體都是可分枝的絲狀體，單根絲狀體稱(chēng)為菌絲(hypha)。許多菌絲相互交織組成菌絲體(mycelium)，縱橫交錯(cuò)，形態(tài)各異，具有多樣性。其功能主要用于吸收營(yíng)養(yǎng)、物質(zhì)運(yùn)輸、代謝產(chǎn)物的儲(chǔ)藏及繁殖等。菌絲可無(wú)限生長(zhǎng)，但直徑是有限的，一般為2～30 μm，最大可達(dá)100 μm。菌絲分為有隔菌絲和無(wú)隔菌絲，其中菌絲體內(nèi)有隔膜的稱(chēng)為有隔菌絲，存在于某些高等真菌中。

當(dāng)真菌營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)行到一定時(shí)期，真菌開(kāi)始轉(zhuǎn)入繁殖階段，形成各種繁殖體，真菌的繁殖體包括無(wú)性繁殖形成的無(wú)性孢子和有性繁殖產(chǎn)生的有性孢子。典型的真菌孢子結(jié)果如圖1所示，除真核生物共有的細(xì)胞器外，其特殊的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)致使其擁有特殊的理化性質(zhì)，幾丁質(zhì)與色素的存在使得真菌孢子能夠抵抗外界的不良環(huán)境。

真菌與細(xì)菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)消毒劑抗性方面有著諸多差異。真菌為真核生物，細(xì)胞尺寸較大，往往在10～100 μm，細(xì)胞質(zhì)中可以找到真核生物細(xì)胞中常見(jiàn)的細(xì)胞器。而細(xì)菌為原核生物，細(xì)胞尺寸一般為1～10 μm。以大腸桿菌為例，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，細(xì)胞器少，不存在完整的細(xì)胞核，其遺傳物質(zhì)直接存在于細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)菌的繁殖方式為簡(jiǎn)單二分裂，而真菌可通過(guò)斷裂、出芽和產(chǎn)生孢子的方式進(jìn)行無(wú)性繁殖，同時(shí)又可以通過(guò)配子融合和減數(shù)分裂產(chǎn)生有性孢子的方式進(jìn)行有性生殖。在不良環(huán)境條件下，真菌孢子會(huì)進(jìn)入休眠態(tài)以抵抗外界不利影響，當(dāng)環(huán)境狀態(tài)適宜時(shí)，真菌孢子會(huì)從休眠態(tài)復(fù)蘇，進(jìn)一步生長(zhǎng)萌發(fā)重新繁殖。

真菌孢子和細(xì)菌具有不同的細(xì)胞壁成分，細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分為肽聚糖，而幾丁質(zhì)則是真菌細(xì)胞壁的主要成分，其可以增大真菌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而更好地保護(hù)真菌細(xì)胞不受損傷[31]。真菌具有更大、更完整且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)胞核，因而相比細(xì)菌對(duì)紫外的抗性更強(qiáng)[32]。菌絲體的形成使得真菌孢子形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)以便于吸收環(huán)境中養(yǎng)分，抵抗不良生長(zhǎng)環(huán)境。

圖1 真菌孢子和細(xì)菌結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Fungal Spores and Bacteria

3 供水系統(tǒng)絲狀真菌污染與控制研究現(xiàn)狀

3.1 不同水源中均能頻繁檢測(cè)出絲狀真菌

研究發(fā)現(xiàn)，世界多國(guó)水源中均能檢出絲狀真菌，相對(duì)地下水源，地表水源中絲狀真菌檢出頻率和含量更高，其中大多可以檢測(cè)出條件致病菌曲霉屬和青霉屬。所以，水源中存在較高的真菌污染風(fēng)險(xiǎn)。于鑫團(tuán)隊(duì)分別對(duì)地表水、公共系統(tǒng)水、住宅水和水箱水系統(tǒng)進(jìn)行了真菌檢測(cè)和定量分析，結(jié)果表明地表水中的真菌污染檢出頻率遠(yuǎn)高于其他水系統(tǒng)，曲霉屬、鐮刀菌屬、青霉屬、木霉屬、毛霉屬和根霉屬是水系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)真菌屬[14]；此外，巴西水庫(kù)中也分離出多種真菌，其中曲霉屬(37%)和青霉屬(25%)占主導(dǎo)，其次是木霉屬(9%)和鐮刀菌屬(9%)，以及彎孢屬(5%)，最后是擬盤(pán)多毛孢屬，僅占總量的2%[33]。Miku?ov等[30]用DG-18平板培養(yǎng)法調(diào)查了挪威地表水、地下水中的真菌污染狀況，發(fā)現(xiàn)地表水較地下水中真菌檢出頻率更高，水中檢出頻率最高的真菌是青霉、木霉和曲霉。Kanzler等[34]調(diào)查了奧地利地下水及自來(lái)水中真菌污染狀況，發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中真菌數(shù)量平均為9.1 CFU/(100 mL)，而地下水中的真菌數(shù)量平均為5 400 CFU/(100 mL)，頻繁檢出的真菌是枝頂孢霉和青霉。Pereira等[35]調(diào)查了葡萄牙地下水、地表水和自來(lái)水中真菌污染狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水中共有52種真菌，以曲霉、青霉和木霉為主。以上研究表明，真菌污染在世界多國(guó)各類(lèi)水源中均能檢出，其中曲霉屬、青霉屬、木霉屬和枝孢屬等是主要的絲狀真菌，而青霉屬和曲霉屬為條件致病菌。

3.2 傳統(tǒng)水處理工藝過(guò)程能降低真菌數(shù)量，而生物活性炭工藝出水真菌濃度升高

常規(guī)水處理工藝能在一定程度減少水中的真菌數(shù)量，但并不能將它們?nèi)咳コ?，而生物活性炭濾池中易滋生真菌，導(dǎo)致出水真菌含量升高。Nie等[36]研究了過(guò)濾工藝和沉淀過(guò)程對(duì)水中真菌的控制效能，發(fā)現(xiàn)聚凝沉淀工藝對(duì)水中真菌的去除率高達(dá)91.09%。于鑫團(tuán)隊(duì)對(duì)比研究了2種混凝劑(硫酸鋁和三氯化鐵)和3種過(guò)濾材料(活性炭、石英砂和陶粒)去除水中真菌(曲霉)的效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種混凝劑對(duì)水中曲霉的去除效果良好，去除率高達(dá)99.6%，3種不同濾料對(duì)水中真菌的去除效率也超過(guò)了90%[37]。南水北調(diào)受水區(qū)北京某水廠采用臭氧和炭砂濾池組合工藝去除有機(jī)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)夏季炭砂濾池出水中致病性曲霉含量較高，豐度為5.82%[17]，具有很高的生物風(fēng)險(xiǎn)。此外，王鈺等[18]在研究以上海黃浦江為水源的供水系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有取樣點(diǎn)中均檢測(cè)到曲霉屬和支頂孢屬真菌，表明這兩種菌屬能夠穿透現(xiàn)有的水處理工藝，活性炭過(guò)濾出水真菌數(shù)量和豐富度均較前一工藝有所上升，對(duì)飲用水供水安全帶來(lái)隱患。就目前的研究結(jié)果來(lái)看，常規(guī)飲用水處理工藝過(guò)程(混凝-沉淀-過(guò)濾)對(duì)水中真菌具有一定的控制效果，但不能將其完全去除，而生物活性炭工藝容易滋生真菌，其出水有真菌濃度升高的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 傳統(tǒng)消毒方法不能有效控制真菌

絲狀真菌因?yàn)槠涮厥饨Y(jié)構(gòu)，較細(xì)菌難以被傳統(tǒng)消毒方法滅活，特別是真菌生物膜對(duì)消毒劑的抗性顯著提升，還需要開(kāi)發(fā)更高效安全的真菌消毒控制方法。Pereira等[38]報(bào)道了氯對(duì)枝頂孢霉、莖點(diǎn)霉、曲霉和青霉等7種真菌的滅活效果，研究發(fā)現(xiàn)，真菌較普通細(xì)菌更加抗氯，達(dá)到80%滅活需要的CT值為60 mg·min/L。Nourmoradi等[39]研究了紫外線(xiàn)(254 nm)對(duì)3種曲霉的滅活效果，當(dāng)真菌初始濃度為1 000 CFU/mL時(shí)，失活4-log真菌需要的紫外光強(qiáng)度為12.45～20.75 mJ/cm2，紫外消毒是一種較高效滅活真菌的方法。Marmane-Gravetz等[40]研究發(fā)現(xiàn)水中常見(jiàn)的真菌孢子(青霉、曲霉和枝頂孢霉)呈疏水性，在水中容易聚集成團(tuán)，難以被消毒劑滅活。文剛課題組開(kāi)展了大量的真菌消毒控制研究，主要包括二氧化氯[41]、臭氧[42]、UV-LEDs[43]、過(guò)氧乙酸[44]、太陽(yáng)光[45]、溴氯海因[46]和高級(jí)消毒方法(UV/Cl2[47]、UV/PMS[32]、UV-LEDs/Cl2[47]、PCPs/PMS[48]、PMS/Cl-[49])。研究發(fā)現(xiàn)，真菌與細(xì)菌相比具有更強(qiáng)的消毒劑抗性，與隱孢子蟲(chóng)的抗性接近(表3)，是因?yàn)檎婢哂休^大尺寸、更強(qiáng)的疏水性和更加豐富的細(xì)胞器，且其細(xì)胞壁的主要成分為幾丁質(zhì)。消毒方法中，傳統(tǒng)消毒劑臭氧和二氧化氯具有較高的控制效能，而高級(jí)消毒中UV/Cl2、UV/PMS和PCPs/PMS均表現(xiàn)出較高的協(xié)同性，對(duì)真菌孢子表現(xiàn)出較好的控制效率。

真菌在水中常以生物膜形式存在，研究發(fā)現(xiàn)生物膜對(duì)消毒劑抗性增加是一種普遍現(xiàn)象[50]，只有在消毒劑濃度比殺死懸浮態(tài)細(xì)胞所需濃度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，生物膜中的細(xì)胞才會(huì)被殺死，并且這種抗性會(huì)隨著生物膜年齡的增加而增加[51]。Siqueira[52]研究了青霉生物膜的氯滅活特性，發(fā)現(xiàn)0.5 mg/L的氯作用30 min不能完全滅活生物膜中真菌，生物膜中的真菌較水中真菌抗氯能力增強(qiáng)。此外，徐向前[41]研究了青霉、木霉和曲霉3種生物膜的二氧化氯滅活特性，發(fā)現(xiàn)40 mg/L的二氧化氯仍不能完全滅活生物膜。以上研究發(fā)現(xiàn)生物膜中的真菌較水相懸浮態(tài)真菌對(duì)消毒劑的抗性增強(qiáng)，這主要與真菌胞外聚合物有關(guān)。

表3 不同病原生物達(dá)到2-log(99%)滅活所需的臭氧CT值Tab.3 CT Values of 2-log (99%) Inactivation of Different Pathogens by Ozone

3.4 管網(wǎng)輸配過(guò)程真菌容易二次繁殖并形成真菌-細(xì)菌復(fù)合生物膜

管網(wǎng)輸配過(guò)程真菌容易二次繁殖并形成真菌-細(xì)菌復(fù)合生物膜，在水力條件發(fā)生變化時(shí)脫落進(jìn)入自來(lái)水中，引發(fā)真菌生物風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。Grabinska-Oniewska等[22]研究了波蘭自來(lái)水管網(wǎng)的真菌污染狀況，發(fā)現(xiàn)常規(guī)飲用水處理工藝能大幅度降低真菌濃度，但管壁生物膜中真菌濃度卻仍然較高，比出水中真菌濃度高1 000～5 000倍，這主要是因?yàn)檎婢诠芫W(wǎng)二次繁殖。Doggett[19]首次報(bào)道了真菌存在于城市供水系統(tǒng)的生物膜中，絲狀真菌的數(shù)量在4.0～25.2 CFU/cm2，其中曲霉屬和青霉屬是生物膜中最常見(jiàn)的真菌種屬。研究表明，曲霉屬、青霉屬、鐮刀菌屬、鏈孢菌屬、木霉屬和枝孢菌屬的致病性能通過(guò)供水管網(wǎng)傳播到住戶(hù)、牙科診所和醫(yī)院等場(chǎng)所[53-55]，具有較高的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

真菌在輸水管網(wǎng)中與細(xì)菌共存，容易形成真菌-細(xì)菌的共生體系，提高了其控制難度[56]。例如，Doggett[19]證明了真菌會(huì)在預(yù)先生長(zhǎng)的細(xì)菌生物膜上形成菌落，Del等[57]研究發(fā)現(xiàn)，在供水管網(wǎng)中存在穩(wěn)定的微生物群落，其中假單胞菌、曲霉和交鏈孢菌等微生物大量存在于底層材料中，支持了真菌-細(xì)菌互生互利的關(guān)系。供水系統(tǒng)中的真菌-細(xì)菌復(fù)合生物膜對(duì)消毒劑具有更高的抵抗力。

4 供水系統(tǒng)絲狀真菌研究還需解決的主要問(wèn)題

4.1 水中真菌的測(cè)定還需要快速的檢測(cè)方法

測(cè)定水中真菌的主要方法包括平板計(jì)數(shù)法、顯微鏡直接觀察法、液相色譜法、麥角甾醇測(cè)定法、定量PCR法和流式細(xì)胞儀法等，各方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。目前，國(guó)際上使用最多的仍是平板法(先用濾膜過(guò)濾，然后進(jìn)行平板培養(yǎng)計(jì)數(shù))。Pereira等[35]采用6種培養(yǎng)基評(píng)估不同培養(yǎng)基對(duì)地表水、泉水和地下水中真菌的分離和計(jì)數(shù)能力，結(jié)果表明，DRBC培養(yǎng)基在檢測(cè)真菌豐度和多樣性方面更具有優(yōu)勢(shì)。然而，培養(yǎng)法耗時(shí)耗力，還存在不能計(jì)數(shù)活的但不可培養(yǎng)細(xì)胞(VBNC)等問(wèn)題。另外，平板法僅能表征真菌孢子的可培養(yǎng)性，無(wú)法判斷真菌孢子其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。目前，流式細(xì)胞儀(FCM)已廣泛應(yīng)用到水處理過(guò)程中的細(xì)菌表征以及消毒過(guò)程中細(xì)菌生存能力評(píng)估，在真菌孢子檢測(cè)方面應(yīng)用很少。文剛課題組利用FCM結(jié)合幾種熒光染料建立了快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的真菌孢子定量及活性檢測(cè)方法[58]，并將FCM應(yīng)用到地下水中常見(jiàn)絲狀真菌孢子(曲霉、木霉、青霉等)的消毒評(píng)價(jià)中[47]，本方法在真菌快速檢測(cè)和消毒控制中具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

定量PCR可以進(jìn)一步定量水中的病原性真菌，比如使用PCR技術(shù)鑒定真菌毒素。最早，Geisen[59]開(kāi)發(fā)了一種多重PCR方法，使用引物nor1/nor2、ver1/ver2和omt1/omt2擴(kuò)增黃曲霉毒素編碼基因，并且證明了多重PCR反映黃曲霉毒素和雜色曲霉毒素具有特異性。隨著PCR技術(shù)逐漸成熟，Passone等[60]利用黃曲霉毒素的生物合成途徑nor-1基因序列，設(shè)計(jì)了擴(kuò)增引物nortaq-1/nortaq-2，開(kāi)發(fā)了產(chǎn)黃曲霉毒素真菌的PCR分析方法。

各種檢測(cè)方法均有利弊，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化水中真菌檢測(cè)方法，結(jié)合多種檢測(cè)手段，以便不同地域、國(guó)家的研究結(jié)果能相互對(duì)比與參考。此外，還需要開(kāi)發(fā)易于推廣的快速檢測(cè)方法。

表4 水中真菌測(cè)定的主要方法及優(yōu)缺點(diǎn)Tab.4 Main Methods for Determination of Fungi in Water and the Advantages and Disadvantages

4.2 水中真菌的特定暴發(fā)條件還需要深入探討

真菌在自然界中廣泛存在，相對(duì)于其他非水體環(huán)境(空氣、土壤等)及其他水體環(huán)境(海洋、湖泊、沼澤等)，真菌在城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中的研究開(kāi)展較少，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下真菌濃度較低，只有在特定的條件會(huì)暴發(fā)進(jìn)而引發(fā)水質(zhì)問(wèn)題。2013年西安某地下水水源地暴發(fā)了真菌污染，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤及地表水中的真菌是地下水中真菌的主要來(lái)源，真菌的生長(zhǎng)和常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)中總磷、總有機(jī)碳存在較大的相關(guān)性。說(shuō)明地下水源中真菌源于地面真菌的輸入，降雨及地表水補(bǔ)給影響地下水環(huán)境中絲狀真菌的數(shù)量及種類(lèi)，有機(jī)物是真菌快速暴發(fā)的關(guān)鍵性水質(zhì)指標(biāo)。本課題組研究發(fā)現(xiàn)真菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)分為生長(zhǎng)延滯期、迅速生長(zhǎng)期、衰亡期。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)真菌快速暴發(fā)起到關(guān)鍵作用，其中對(duì)其生長(zhǎng)影響最大的是碳和磷[41]。真菌孢子的生長(zhǎng)萌發(fā)主要有5個(gè)階段：1)孢子水合和膨脹；2)孢子生理和形態(tài)學(xué)變化；3)長(zhǎng)出芽管，生長(zhǎng)極化；4)芽管伸長(zhǎng)，頂端生長(zhǎng)；5)持續(xù)生長(zhǎng)，形成菌絲體，黏附形成生物膜[71]。然而，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果較少，供水系統(tǒng)中真菌的暴發(fā)條件還需要深入探討。

4.3 需要開(kāi)發(fā)絲狀真菌的高效安全經(jīng)濟(jì)的控制方法

真菌為真核生物，與細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)截然不同，揭示消毒劑對(duì)真菌孢子的消毒效果和機(jī)理能為真菌控制提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年已經(jīng)系統(tǒng)研究了真菌的消毒控制方法、消毒動(dòng)力學(xué)以及消毒機(jī)理。真菌較細(xì)菌對(duì)消毒劑的抗性明顯提高，真菌消毒過(guò)程主要符合Chick-Watson或者延遲Chick-Watson模型。研究發(fā)現(xiàn)：化學(xué)消毒方法(主要包括氯、臭氧、二氧化氯)主要是與細(xì)胞膜表面的膜蛋白作用，破壞細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而導(dǎo)致真菌失活[42]；物理性消毒方法(如低壓UV、UV-LEDs)主要與真菌胞內(nèi)DNA作用，形成嘧啶二聚體，降低孢子的活性[43]；高級(jí)消毒方法通過(guò)產(chǎn)生活性自由基并誘發(fā)胞內(nèi)ROS水平升高，從而導(dǎo)致孢子整體結(jié)構(gòu)受到破壞而失活[47]。然而，真菌從孢子開(kāi)始萌發(fā)、聚集到最后形成生物膜，真菌生物膜以及細(xì)菌-真菌復(fù)合生物膜的消毒控制還需要深入研究。另外，真菌孢子及菌絲體本身也是有機(jī)體，在消毒過(guò)程中胞內(nèi)毒素的釋放及消毒過(guò)程消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生規(guī)律還不清楚，在消毒研究的同時(shí)應(yīng)該探明消毒副產(chǎn)物的形成規(guī)律。所以，開(kāi)發(fā)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的真菌消毒控制方法仍然是主要的研究方向。

4.4 供水系統(tǒng)中真菌毒素控制還需要深入研究

真菌素會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)和其他動(dòng)物一系列的健康問(wèn)題，一些真菌毒素具有致癌性并能損害免疫系統(tǒng)。曲霉屬、青霉屬和鐮刀菌屬能夠產(chǎn)生真菌毒素。黃曲霉可以產(chǎn)生黃曲霉毒素(B2和G2)，于鑫教授團(tuán)隊(duì)在飲用水系統(tǒng)中檢測(cè)到了黃曲霉毒素和伏馬菌素[15]。此外，Russell等[72]證明了鐮刀菌在飲用水中能產(chǎn)生玉米赤霉烯酮。然而，以往的研究表明水中真菌毒素的含量很低，但在水庫(kù)、清水池、水箱等長(zhǎng)期蓄水的位置，真菌毒素的濃度可能會(huì)增加。Paterson等[62]報(bào)道了青霉產(chǎn)生的真菌毒素可能會(huì)影響生物膜的生長(zhǎng)。此外，Hageskal等[2]認(rèn)為，長(zhǎng)期飲用受污染的水，少量的真菌毒素也可能會(huì)導(dǎo)致人體的健康問(wèn)題。Stakheev等[73]報(bào)道了單端孢霉烯族毒素會(huì)抑制蛋白質(zhì)的合成并誘導(dǎo)染色體變化。目前，人們對(duì)真菌毒素在水環(huán)境中的產(chǎn)生及其重要性仍知之甚少，對(duì)供水系統(tǒng)中真菌毒素的控制還需要深入研究。

5 城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)絲狀真菌的安全保障對(duì)策

5.1 水源原位保障

水源中真菌濃度普遍不高，有關(guān)水源原位控制真菌的報(bào)道很少，但在一些特定時(shí)期水中真菌會(huì)暴發(fā)，引發(fā)水質(zhì)問(wèn)題。水源中真菌的控制與傳統(tǒng)病原微生物控制類(lèi)似，在水源保護(hù)區(qū)內(nèi)嚴(yán)格限制污染物排放，降低水源中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。水源水庫(kù)是重要的水源，由于其水流動(dòng)性差，營(yíng)養(yǎng)鹽含量高，會(huì)發(fā)生季節(jié)性高濁、高藻、有機(jī)物超標(biāo)等問(wèn)題，增加水中微生物生長(zhǎng)所需碳源，降低飲用水的生物穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致微生物大量繁殖。真菌的生長(zhǎng)和常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)中TP、TOC存在較大的相關(guān)性，有機(jī)物是真菌快速暴發(fā)的關(guān)鍵性水質(zhì)指標(biāo)?；旌铣溲跫夹g(shù)能夠原位保障水庫(kù)水源水質(zhì)，降低有機(jī)物、氮磷濃度，能夠降低水中真菌數(shù)量并改變真菌種屬[74]。地面真菌的輸入、降雨及地表水補(bǔ)給影響地下水環(huán)境中絲狀真菌的數(shù)量及種類(lèi)。對(duì)地下水源關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，制定絲狀真菌暴發(fā)的應(yīng)急控制預(yù)案并設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理設(shè)施，例如在地下水源井和輸水管道上添加消毒劑，可以有效控制地下水源中真菌污染。

5.2 水處理過(guò)程保障

現(xiàn)有的城鎮(zhèn)飲用水廠處理工藝中，混凝/絮凝、過(guò)濾和氯消毒可以有效去除原水中低濃度的絲狀真菌污染，但該體系缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)性真菌快速暴發(fā)的能力，急需開(kāi)展針對(duì)突發(fā)性或季節(jié)性絲狀真菌暴發(fā)的應(yīng)急處理技術(shù)研究。另外，對(duì)現(xiàn)有處理工藝的優(yōu)化與提標(biāo)改造是控制高濃度真菌的重要途徑，應(yīng)在充分了解水源水質(zhì)特性與變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化混凝沉淀技術(shù)、過(guò)濾技術(shù)，研發(fā)適用于處理不同形態(tài)真菌的優(yōu)質(zhì)混凝劑，開(kāi)發(fā)針對(duì)不同狀態(tài)真菌(孢子、聚集態(tài)、萌發(fā)態(tài)、真菌-細(xì)菌生物膜)的聯(lián)合消毒技術(shù)。隨著高品質(zhì)飲用水的普及和推廣，生物活性炭工藝被廣泛應(yīng)用于飲用水處理廠，然而其出水中真菌濃度會(huì)有升高的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)炭砂濾池或在活性炭濾池后面增加膜過(guò)濾的方法來(lái)降低其出水真菌濃度[17]。

5.3 采用高級(jí)消毒工藝

相比于其他病原微生物，真菌的控制難度更高，而且能在供水系統(tǒng)中二次繁殖，進(jìn)而形成生物膜，釋放毒素，產(chǎn)生更大的危害。因此，仍需提出新的解決方案來(lái)控制真菌及其可能釋放的真菌毒素。從真菌消毒角度，研發(fā)適用于真菌的高級(jí)消毒方法(聯(lián)合消毒)是解決飲用水真菌污染的重要手段，如UV/Cl2[47]、O3/Cl2[75]等。相比傳統(tǒng)的消毒方法，高級(jí)消毒方法可以產(chǎn)生活性自由基并誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)活性氧水平升高，明顯提高消毒的效率，高級(jí)消毒可以降低氯消毒劑的投加量進(jìn)而降低消毒副產(chǎn)物的生成量，其中聯(lián)合消毒將是供水廠未來(lái)消毒的重要發(fā)展方法。

5.4 管網(wǎng)輸配過(guò)程保障

穿透水處理過(guò)程的真菌孢子(主要為子囊菌門(mén)的真菌孢子)在管網(wǎng)輸配過(guò)程會(huì)萌發(fā)出菌絲，在管壁或與其他顆粒物結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展成為更難控制的生物膜，生物膜脫落后通過(guò)自來(lái)水可能被人體直接吸收，或者間接地通過(guò)吸入淋浴噴頭產(chǎn)生的氣溶膠等方式吸收。因此，與水源水和飲用水廠相比，輸配水管網(wǎng)對(duì)真菌污染防治有更高的要求。首先，切實(shí)做好輸配水管網(wǎng)健康穩(wěn)定運(yùn)行，科學(xué)監(jiān)測(cè)，保證管網(wǎng)具有充足的消毒劑，如氯胺對(duì)生物膜(特別是真菌生物膜)具有更好的穿透性，控制真菌效果更好，也可以利用管道腐蝕產(chǎn)物作為天然催化材料與常用消毒劑結(jié)合進(jìn)行管道清洗(PCPs/PMS，PCPs/PAA等)[61]；其次，應(yīng)當(dāng)保持管網(wǎng)合適的可同化有機(jī)碳(AOC低于80～100 μg/L)，降低真菌的再生長(zhǎng)潛力[76]；最后，二次供水的設(shè)備或水箱要及時(shí)清理和消毒，避免真菌的二次繁殖，惡化水質(zhì)[15]。

6 結(jié)語(yǔ)

絲狀真菌在城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中廣泛存在，會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)許多危害，包括產(chǎn)生嗅味、引發(fā)毒性和過(guò)敏反應(yīng)、增加消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物等，然而絲狀真菌常被認(rèn)為不會(huì)引起急性疾病，因而飲用水中真菌污染問(wèn)題還未受到足夠的重視。但是，供水系統(tǒng)中的真菌會(huì)對(duì)免疫力低下的人群影響很大。

真菌是具有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真核生物，細(xì)胞尺寸較大，往往在10～100 μm，真菌具有更大、更完整且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)胞核，相對(duì)細(xì)菌而言，其檢測(cè)和消毒控制都更加困難，在富含有機(jī)物、總磷的水體中容易暴發(fā)，需要引起重視。

不同水源中均能頻繁檢測(cè)出絲狀真菌，地表水通常具有更高的檢出率和濃度。傳統(tǒng)水處理工藝過(guò)程能降低真菌數(shù)量，而深度處理工藝生物活性炭出水真菌濃度升高，具有很高的生物風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)氯消毒不能有效控制水中真菌，管網(wǎng)輸配過(guò)程真菌容易二次繁殖并形成真菌-細(xì)菌復(fù)合生物膜，有可能進(jìn)入自來(lái)水中，引發(fā)真菌生物風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

目前，供水系統(tǒng)中真菌污染的研究還處于初級(jí)階段，還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。水中真菌的測(cè)定還需要快速的檢測(cè)方法，不同地域供水系統(tǒng)中真菌的暴發(fā)條件還需要深入探討，開(kāi)發(fā)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的真菌消毒控制方法仍然是主要的研究方向，對(duì)真菌毒素在水環(huán)境中的產(chǎn)生及其重要性仍知之甚少，對(duì)供水系統(tǒng)中真菌毒素的控制還需要深入研究。

同時(shí)，還需要建立相應(yīng)的應(yīng)急保障技術(shù)體系，預(yù)防絲狀真菌大量暴發(fā)惡化供水水質(zhì)。從水源、水廠、聯(lián)合消毒、管網(wǎng)等方面保障供水安全，建立多單元協(xié)同控制絲狀真菌污染的多級(jí)屏障體系，是控制供水系統(tǒng)真菌污染的重要途徑。