核心提示：目前的饮用水消毒方法对原生动物及其相关细菌的消杀作用一般。超滤膜成为饮用水系统中变形虫的理想生长表面，可以显著促进变形虫相关细菌的生长。
摘要：对某亚热带特大城市自来水调查发现，该市普遍存在变形虫等原生动物。原生动物相关细菌含有许多潜在的病原体，并且能够在变形虫宿主中富集。目前的饮用水消毒方法对原生动物及其相关细菌的消杀作用一般。超滤膜成为饮用水系统中变形虫的理想生长表面，可以显著促进变形虫相关细菌的生长。这项研究表明，活的原生动物及其相关细菌在自来水中普遍存在，这可能会在饮用水生物安全方面带来新的健康风险。
背景：饮用水系统中悬浮着多种微生物，如细菌、病毒、真菌和原生动物，很多能够导致人类疾病，是对公共健康的主要威胁。需要全面了解饮用水微生物的分布、多样性，以及健康风险。原生动物普遍存在于天然和工程水系统中，其中一些是人类病原体，可以在受污染的饮用水中引起疾病。贾第鞭毛虫和隐孢子虫是饮用水中研究最多的原生动物，它们曾发生在世界各地爆发。变形虫也经常在水系统中被发现，可引起阿米巴病、角膜炎和脑膜炎等疾病。目前为止，我们对饮用水系统中的原生动物及相关细菌了解甚少，传统的水处理技术不能有效处理原生动物及相关细菌。一些非致病的原生动物可能携带其他病原体，对人类健康产生潜在风险。
主要结果
城市的自来水中普遍存在活的原生动物
镜检发现，在整个城市的自来水中都检测到了活的的原生动物。不同采样点存在差异，原生动物的检出率在77.8%-100%之间。变形虫检出率最高(42.5%至100%)，是该城市水样中最常见的原生动物。超滤膜之后，位点B的原生动物和变形虫检测率最高(表1)。
表1. 自来水水质参数及原生动物和变形虫检出率汇总
A：混凝/絮凝B：沉淀C：过滤D：氯化
变形虫是自来水中主要原生动物
藻类是河流和自来水中的主要类群，其中藻类分别占河流和自来水总读数的46.04%和27.65%(图1A)。从河流到自来水，主要的原生动物群从纤毛虫和肺泡原体转变为变形虫(图2A)。变形虫占自来水总读数的27.25%，是自来水中的主要原生动物。在自来水和水源河水中没有发现任何隐孢子虫和贾第鞭毛虫，表明它们对该地区的饮用水安全没有重大威胁。在自来水和水源河水中检测到的寄生原生动物类Apicocomplex(Eugregrinida除外，一种无脊椎动物寄生虫)非常少。
图1.(A)目水平上原生动物的相对丰度;(B)原生动物群落的PCoA;(C)属水平上与原生动物相关的细菌的相对丰度;(D)原生动物相关细菌的PCoA
自来水中主要的原生动物相关的细菌—潜在的病原体
自来水中的细菌有很多潜在致病菌(图2A)。Brevundimonas，一种新发现的机会性病原体，丰度最高，占总读数的21.1%(图1C)。乳酸杆菌和幽门螺杆菌主要分布在A和C位点，而分枝杆菌主要分布在B和D位点。
研究发现细菌以变形虫作为宿主的可能性最高(29.7%)，其次是后鞭毛生物(12.87%)和SAR(10.89%)。变形虫与许多细菌表现出强烈的共生模式，包括分枝杆菌、微细菌、金黄色葡萄球菌和根瘤菌，表明变形虫是这些致病菌的潜在宿主。进一步扫描发现了22种潜在的细菌病原体，其中，短小短单胞菌(Brevundimonas
diminuta)和膀胱短单胞杆菌(Brevundimonas
vesicularis)分别占细菌群落的8.48%和1.7%，其次是嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia
，1.37%)、耶氏副球菌(Paracoccus yeei ，0.8%)、吉氏玫瑰单胞菌(Roseomonas gilardii
，0.13%)、粘质沙雷菌(Serratia marcescens
，0.12%)。分枝杆菌和嗜肺军团菌也被发现(图2A)。它们只占原生动物相关细菌总丰度的不到0.1%(图2B)，可认为本研究中检测到的细菌大多与原生动物相关。
图2.(A)主要原生动物和致病菌的热图;(B)浮游细菌和原生动物相关细菌的绝对丰度;(C)原生动物及其相关细菌的相关性分析
消毒对变形虫及其相关细菌的影响
研究发现，该城市自来水中的变形虫XM1对氯化和臭氧氧化两种消毒方法都表现出很高的耐药性(图3)。变形虫作为细菌的宿主，提高了相关细菌消毒后的存活率。自来水中浮游细菌使用氯化消毒后1分钟内全部失活，而在依附在变形虫上的细菌仅减少2-log。变形虫XM1上的细菌氯化消毒40分钟后才达到灭活的效果。臭氧消毒也观察到类似的结果，变形虫XM1上的细菌消毒10分钟后减少了1.6-log。目前的消毒技术对水中浮游细菌有效，但无法快速充分灭活变形虫上的细菌。
图3. A变形虫的滋养体状态，B变形虫的孢囊状态;C变形虫的系统发育树;氯化(D)和臭氧(E)对变形虫XM1、其相关细菌以及浮游细菌的灭活效果
超滤膜对变形虫的影响
超滤膜后B位点的原生动物和变形虫检测率最高(表1)。在B位点检出较多的分枝杆菌，可能由其变形虫宿主携带(图2C)。验证变形虫在6种不同材料的超滤膜上的生长情况，结果发现，6种超滤膜都促进变形虫的生长(图4)。变形虫在聚砜和聚苯乙烯膜上生长情况最好，而其他因素，如滤膜孔径大小和表面疏水性/亲水性，对变形虫的生长几乎没有影响。超滤膜是饮用水系统中变形虫的理想生长表面。
图4.变形虫QS9在不同表面上的生长情况(A)塑料表面;(B)NNA;(C−H)不同类型的超滤膜：UA010、UN050、US050、UE030、UF100和UR030;第0天(I)和第7天(J)，变形虫XM1在超滤膜上的生长情况;(K)变形虫QS9在不同表面上生长情况
超滤膜对变形虫相关细菌的影响
超滤膜不支持浮游的分枝杆菌B1qs70细菌的生长(图5A，B)。当附着在变形虫体内时，双歧杆菌B1qs70在36小时内显著生长(图5C，D)，并且分枝杆菌B1qs70%在36小时的荧光强度是6小时的10倍(图5E)。超滤膜几乎不支持细菌生长，但它们可以显著促进依附在变形虫上相关细菌的生长。
图5. 浮游细菌(A，B)和变形虫附着的细菌(C，D)分别在6小时和36小时生长情况。相应的荧光强度如(E)所示
结论
这项研究发现变形虫是饮用水系统中原生动物的重要组成部分，有些是机会性病原体，威胁饮用水安全。此外，在亚热带特大城市的自来水中，有些原生动物携带的相关细菌是潜在的病原体，可能会在饮用水中带来新的健康风险。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c09139
