基因测序揭秘：饮用水处理与输送中致病菌的 “隐形变迁”

2024 年，国际权威期刊《水研究》（Water Research）发表了一项重磅研究。该研究采用近全长 16S rRNA 基因高通量测序技术，首次在物种水平上系统解析了我国北方某城市三座大型饮用水处理厂及其配套输配系统中致病菌的变化规律，揭示了不同水源、处理工艺及季节对水体细菌群落尤其是致病菌的影响，为饮用水安全保障提供了全新的科学视角和技术支撑。

饮用水中的微生物管控是公共卫生领域的重中之重，尽管水处理厂采用了多种消毒和过滤工艺，输配系统也会维持消毒剂余量以抑制微生物再生，但能感染免疫功能低下人群的饮用水相关致病菌仍频繁被检出。军团菌、分枝杆菌、铜绿假单胞菌等是公认的高风险致病菌群体，然而传统研究多停留在属水平分析，无法区分同一属内不同物种的致病性差异 —— 例如多数分枝杆菌物种并非人类致病菌，近半数已知军团菌物种也未被证实对人致病。同时，现有物种水平研究多聚焦少数几个属，缺乏对饮用水系统中致病菌的整体分析。此外，传统短读长测序技术受限于基因片段长度，难以实现物种级别的精准分类。因此，本研究旨在通过先进的长读长测序技术，在物种水平上全面探究饮用水处理和输配过程中细菌群落尤其是致病菌的变化特征，评估处理工艺对致病菌的去除或富集效应，以及输配过程对致病菌群体的影响。

研究团队选取了三座大型饮用水处理厂（DWTPs），其中两座以地表水为水源（SWPa 和 SWPb），一座以地下水为水源（GWP）。SWPa 采用 “预氧化（臭氧 + 氯气）- 混凝沉淀 - 生物活性炭 - 砂滤 - 超滤 - 氯化消毒” 的多步处理工艺，SWPb 的工艺为 “预氧化（臭氧 + 氯气）- 混凝沉淀 - 煤滤 - 生物活性炭 - 氯化消毒”，而 GWP 仅采用氯气消毒后便将水送入输配管网。

在 2021 年冬季和夏季，研究团队在水处理各环节及用户水龙头处共采集 123 个水样（冬季 60 个、夏季 63 个），每个采样点在每个季节间隔约两周采集 3 次样本。研究采用多种技术手段进行全面分析：通过流式细胞术测定水体中总细胞和活细胞浓度；利用 PacBio Sequel II 平台对近全长 16S rRNA 基因进行测序，结合 DADA2 算法获得精确的扩增子序列变体（ASVs），实现物种级分类；通过 BLASTn 搜索 NCBI 数据库，并与 KARIUS® 致病菌列表比对，精准识别致病物种；对军团菌和分枝杆菌的 ASVs 进行系统发育分析，明确其与已知菌株的亲缘关系；同时监测浊度、游离氯、溶解氧、总有机碳等理化指标，探究环境因素与微生物群落的关联。

实验结果取得了多项关键发现。首先，季节对细菌群落结构影响显著，三座水厂及其输配区域（DMA）的冬夏季水样细菌群落均存在明显差异。夏季输配管网水中细菌群落呈现趋同特征，优势属为 Phreatobacter；而冬季不同水厂输配水的优势属差异显著，但均含有较高比例的 Phreatobacter 和 Hyphomicrobium。

其次，不同处理工艺对致病菌的影响各异。地表水水厂的多步处理工艺展现出高效的致病菌去除能力，其中 SWPa 的超滤工艺对致病菌的平均去除率超过 95%；但 SWPb 在冬季预氧化处理后，军团菌相对丰度从原水的 2.3% 急剧升至 27.91%，不过后续工艺逐步将其降至 0.16%。地下水水厂（GWP）的氯气消毒处理则对分枝杆菌产生显著富集效应，处理后分枝杆菌相对丰度从原水的不足 0.5% 升至 10% 以上，夏季更是高达 26.34%，主要富集物种为戈登分枝杆菌、副戈登分枝杆菌和鸡分枝杆菌等耐氯物种。

在物种识别方面，研究通过严格的序列比对，共鉴定出 83 种致病物种，其中雷氏普罗威登斯菌、苏云金芽孢杆菌、表皮葡萄球菌等为常见优势机会致病菌。值得注意的是，输配系统对致病菌整体呈现抑制效应，除夏季 SWPb 输配水外，其余输配水的致病菌浓度均低于水厂出水，表明输配系统的生态环境不利于多数致病菌竞争存活。此外，研究还发现了大量未知军团菌物种，其中部分在冬季 SWPb 的处理过程中被选择性富集，其致病性仍需进一步验证。

该研究的现实意义重大。在技术层面，建立了基于近全长 16S rRNA 基因测序的致病菌精准识别流程，解决了传统短读长测序难以实现物种级分类的难题，为饮用水致病菌检测提供了更精准的技术方案。在实践应用方面，明确了不同水处理工艺对致病菌的去除或富集效应 —— 地表水多步处理工艺能高效去除致病菌，而地下水单一消毒工艺易富集耐氯分枝杆菌，为水厂工艺优化提供了直接依据。针对冬季部分地表水水厂预氧化后军团菌富集的现象，提示水厂需关注特定季节、特定工艺环节的致病菌风险管控。同时，揭示了输配系统对致病菌的抑制作用，为输配管网的运行维护提供了科学参考。这些发现有助于饮用水行业制定更具针对性的致病菌防控策略，精准提升饮用水安全保障水平，尤其能更好地保护免疫功能低下人群的饮水安全。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120947