二次消毒对模拟饮用水输配系统抗生素耐药性及细菌群落的影响

研究背景

饮用水输配系统（DWDS）是连接水厂与用户的最后屏障，然而管网中微生物再生长及生物膜形成可富集抗生素耐药菌（ARB）与耐药基因（ARGs），并通过水平基因转移放大公共健康风险。二次消毒（booster disinfection）作为长距离供水系统中控制微生物再生的常用手段，其对管网内抗生素耐药性分布格局及细菌群落演替的影响机制尚不明确，尤其缺乏针对不同管材、消毒剂类型及水龄的系统研究。

研究方法

研究搭建了一套模拟输配系统（SWDS），对比UPVC、PE和不锈钢（SS）三种管材，分别采用自由氯（CHL）和氯胺（CHM）进行二次消毒；沿程设置采样点，通过异养菌平板计数（HPC）、ARB培养计数、qPCR定量（16S rRNA基因及多种ARGs）以及16S rRNA高通量测序，追踪分析消毒后不同水龄（0–64 h）条件下水体及生物膜中微生物数量、耐药基因丰度及群落结构的动态变化。

主要结果

二次消毒后，氯胺在各类管材中的衰减速率均显著快于自由氯。投加消毒剂初期，水体中ARB浓度和ARGs绝对丰度均出现下降，但随着水龄增加（至64 h），两者均呈现回升趋势；值得注意的是，与出厂水相比，二次消毒后64 h水样中ARB占异养菌的比例（ARB%）显著升高，提示消毒过程可能对耐药菌群产生了选择性富集效应。此外，ARGs的相对丰度（以16S rRNA基因标准化）在二次消毒后于水体和生物膜中均显著上升，随后沿程递减，表明二次消毒在降低ARGs总量的同时，可能通过选择性压力改变了耐药基因的相对分布格局。

图1.消毒剂的衰减特征与ARB/ARGs的沿程变化

自由氯在控制微生物总量及ARGs方面显著优于氯胺。与UPVC和PE管相比，不锈钢管（SS）内的总菌数、ARB浓度及ARB%均为最低，主要归因于SS管表面更光滑且余氯衰减更慢，维持了更高的消毒剂残留水平。该结果提示管材材质通过影响余氯稳定性间接调控了管网内的耐药菌群规模（对应Fig. 2–3中ARB、HPC及ARGs的沿程变化数据）。

解除氧化胁迫并补充外源营养后，VBNC 菌体可逐步完成复苏：初期胞内 ROS 被自身抗氧化系统清除，ATP 水平逐步回升，细胞膜通透性恢复正常；转录水平上饥饿应激基因下调，DNA 复制、细胞分裂、物质代谢相关功能基因重新激活，菌体由休眠状态逐步恢复分裂增殖能力；复苏后的细菌完整继承原有耐药表型与耐药基因，耐药水平未发生衰减，具备再次在水环境定植传播耐药风险；氧化胁迫解除、营养供给充足是启动复苏最关键的环境触发条件。

水体与生物膜中的16S rRNA基因丰度呈显著正相关（Spearman rₛ = 0.77, p < 0.001），表明两者在总细菌量上具有高度联动性；然而，目标ARGs在两相之间的相关性较弱，说明生物膜可能是ARGs的独立储库。Bray-Curtis相似性指数分析显示，二次消毒显著改变了生物膜细菌群落结构，且消毒剂类型（氯 vs. 氯胺）对群落组成具有显著分异效应。在属水平上，Pseudomonas、Sphingomonas和Methylobacterium在二次消毒后显著富集；其中Mycobacterium在氯胺系统中增加、在氯系统中减少，提示该属可能对氯胺具有耐受性。进一步的相关性分析表明，Pseudomonas、Methylobacterium及Phreatobacter的相对丰度与ARGs相对丰度呈显著正相关，提示这些属可能是管网中ARGs的潜在宿主。

图2.属水平群落组成及与ARGs的关联分析

研究结论

二次消毒虽能在短期内降低ARB和ARGs的绝对丰度，但会提高ARGs的相对丰度，并随水龄延长导致ARB比例回升；自由氯的控菌及抑耐药效果优于氯胺，不锈钢管因余氯稳定性高而表现出最低的耐药菌群水平；此外，二次消毒显著重塑了生物膜细菌群落，Pseudomonas、Methylobacterium等潜在ARGs宿主菌的富集值得警惕。研究结果可为优化饮用水输配系统的二次消毒策略、控制耐药基因传播风险提供理论依据。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122902.