絲狀真菌
——城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)生物風(fēng)險(xiǎn)和安全保障的新挑戰(zhàn)

文 剛1,2，吳戈輝1,2，萬琪琪1,2，常寶春1,2，徐源源1,2，黃廷林1,2

(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)

摘 要 絲狀真菌是具有完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真核生物，其基本形態(tài)是單細(xì)胞孢子和多細(xì)胞菌絲體。絲狀真菌在城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中廣泛存在，會(huì)造成嚴(yán)重的人類健康風(fēng)險(xiǎn)和水污染問題，然而，因真菌很少引起急性疾病，供水系統(tǒng)中真菌污染問題未受到足夠重視。但是，供水系統(tǒng)中的真菌對(duì)免疫力低下的老人和小孩影響很大。在不同水源中均能頻繁檢測(cè)出絲狀真菌，傳統(tǒng)水處理工藝過程能大幅降低真菌數(shù)量，但深度水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)輸配過程真菌容易二次繁殖并進(jìn)入用戶家中，引發(fā)真菌生物風(fēng)險(xiǎn)。目前，供水系統(tǒng)中真菌污染的研究還處于初級(jí)階段，還有很多問題值得進(jìn)一步研究。水中真菌的快速檢測(cè)方法、快速暴發(fā)條件、安全高效消毒方法以及真菌毒素的控制是今后的研究方向。需要從水源、水廠、聯(lián)合消毒、管網(wǎng)等多方面控制絲狀真菌污染，建立多單元協(xié)同控制真菌污染的多級(jí)屏障體系，保障供水安全。

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)物如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲(簡(jiǎn)稱兩蟲)具有比致病細(xì)菌更高的傳染性，更易引起感染，但兩蟲對(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、賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲均不得檢出，細(xì)菌總數(shù)不得超過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)都沒有對(duì)藻類設(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)安全帶來一系列問題，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、病毒和寄生蟲在飲用水中的出現(xiàn)通常會(huì)導(dǎo)致人類出現(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，因而在過去的研究中被長(zhǎng)期忽略[2]。但近幾十年來的研究表明，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題。

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

由于絲狀真菌很少引起急性疾病，目前對(duì)水中真菌開展的研究較少。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題，嚴(yán)重影響人民群眾的生活[2]。近年來，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(Aspergillus niger)、青霉(Penicillium polonicum)和木霉(Trichoderma harzianum)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)真菌污染問題關(guān)注較晚。廈門大學(xué)于鑫教授團(tuán)隊(duì)最早從福建廈門不同地點(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，該門真菌可穿透凈水工藝過程的多級(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)。

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)人類健康帶來許多危害。供水系統(tǒng)中的真菌主要會(huì)導(dǎo)致以下問題：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)、皮膚過敏、過敏性肺炎和哮喘等；3)絲狀真菌大量繁殖導(dǎo)致肉眼可見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10萬種，但對(duì)人類致病的真菌不過幾十種。真菌是一類異養(yǎng)真核生物，主要包括霉菌(又稱絲狀真菌)、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門和1類，主要包括壺菌門、接合菌門、子囊菌門、擔(dān)子菌門和半知菌類。城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中常見的曲霉、青霉屬于子囊菌亞門，木霉為半知菌亞門。

真菌孢子處于適宜條件時(shí)會(huì)打破休眠狀態(tài)開始萌發(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隔菌絲，其中菌絲體內(nèi)有隔膜的稱為有隔菌絲，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，真菌開始轉(zhuǎn)入繁殖階段，形成各種繁殖體，真菌的繁殖體包括無性繁殖形成的無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，而真菌可通過斷裂、出芽和產(chǎn)生孢子的方式進(jìn)行無性繁殖，同時(shí)又可以通過配子融合和減數(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。

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水中真菌污染狀況，發(fā)現(xiàn)自來水中真菌數(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锘钚蕴繛V池中易滋生真菌，導(dǎo)致出水真菌含量升高。Nie等[36]研究了過濾工藝和沉淀過程對(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隱患。就目前的研究結(jié)果來看，常規(guī)飲用水處理工藝過程(混凝-沉淀-過濾)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(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]、過氧乙酸[44]、太陽光[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)。

3.4 管網(wǎng)輸配過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)入自來水中，引發(fā)真菌生物風(fēng)險(xiǎn)問題。Grabinska-Oniewska等[22]研究了波蘭自來水管網(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供水管網(wǎng)傳播到住戶、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)等問題。另外，平板法僅能表征真菌孢子的可培養(yǎng)性，無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)用到水處理過程中的細(xì)菌表征以及消毒過程中細(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，還需要開發(fā)易于推廣的快速檢測(cè)方法。

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，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，在消毒過程中胞內(nèi)毒素的釋放及消毒過程消毒副產(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)致人類和其他動(dòng)物一系列的健康問題，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)問題。水源中真菌的控制與傳統(tǒng)病原微生物控制類似，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。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 水處理過程保障

現(xiàn)有的城鎮(zhèn)飲用水廠處理工藝中，混凝/絮凝、過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)，可以通過炭砂濾池或在活性炭濾池后面增加膜過濾的方法來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消毒的重要發(fā)展方法。

5.4 管網(wǎng)輸配過程保障

穿透水處理過程的真菌孢子(主要為子囊菌門的真菌孢子)在管網(wǎng)輸配過程會(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，生物膜脫落后通過自來水可能被人體直接吸收，或者間接地通過吸入淋浴噴頭產(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

絲狀真菌在城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中廣泛存在，會(huì)對(duì)人體健康帶來許多危害，包括產(chǎn)生嗅味、引發(fā)毒性和過敏反應(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)入自來水中，引發(fā)真菌生物風(fēng)險(xiǎn)問題。

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。

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Filamentous Fungi: New Challenge and Safety Control of Biological Risk in Urban Water Supply System

WEN Gang1,2, WU Gehui1,2, WAN Qiqi1,2, CHANG Baochun1,2, XU Yuanyuan1,2, HUANG Tinglin1,2

(1.Northwest China Key Laboratory of Water Resource and Environment Ecology, School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China;2.Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China)

Abstract Filamentous fungi are eukaryotes with complete cellular structure, including both single-cellular spores and multi-cellular fungal mycelium. Fungal contamination is widespread in urban water supply system, which will cause serious human health risks and water pollution problems. However, because fungi do not cause acute illness, the problem of fungal contamination in drinking water has not received enough attention. However, fungi present in drinking water may cause severe fungal infections in immunosuppressed old man and children. Filamentous fungi can be frequently detected in different water sources. Traditional water treatment process can efficiently reduce the number of fungi, however the fungal concentration in the effluent of advanced treatment biological activated carbon increases, which has a great biological risk. Traditional chlorine disinfection cannot effectively control waterborne fungi. In the process of water distribution, fungi are prone to second propagation and enter the consumers' tap water, causing fungal biological risks. At present, the research on fungal contamination in water supply system is still in the primary stage, and there are still many problems to be further addressed. Rapid detection method, rapid outbreak conditions, efficient disinfection methods and mycotoxin control strategies in water are the main research direction. It is necessary to prevent filamentous fungal contamination from the aspects of water source, water plant, combined disinfection, pipeline network, etc., and to establish a multi-unit barrier system for cooperative control of fungal contamination to ensure the safety of water supply system.

Keywords urban water supply system filamentous fungi research status development trend security measures

文剛, 吳戈輝, 萬琪琪, 等. 絲狀真菌——城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)生物風(fēng)險(xiǎn)和安全保障的新挑戰(zhàn)[J]. 凈水技術(shù), 2022, 41(3):1-11，19.

WEN G, WU G H, WAN Q Q, et al. Filamentous fungi: New challenge and safety control of biological risk in urban water supply system[J]. Water Purification Technology, 2022, 41(3):1-11，19.

中圖分類號(hào)： X172；TU991

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1009-0177(2022)03-0001-12

DOI： 10.15890/j.cnki.jsjs.2022.03.001

[收稿日期] 2022-01-20

[基金項(xiàng)目] 國(guó)家自然科學(xué)基金(51678472、51978557)；陜西省杰出青年科學(xué)基金(2018JC-026)；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020ZDLSF06-05)；陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

[作者簡(jiǎn)介] 文剛(1983— )，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)轱嬘盟镂廴究刂?，E-mail：hitwengang@163.com。

文剛，西安建筑科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，《凈水技術(shù)》青年編委。寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)獲得者，陜西省“特支計(jì)劃”青年拔尖人才，陜西省首批杰出青年基金獲得者，陜西百名優(yōu)秀青年科技新星。主要研究方向?yàn)轱嬘盟此|(zhì)安全保障、飲用水高級(jí)氧化與消毒技術(shù)。共發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文100余篇，SCI收錄論文50篇，授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)，合著學(xué)術(shù)專著1部，參編《水工藝設(shè)備基礎(chǔ)》(第三版)，主編《農(nóng)村生活供水建設(shè)技術(shù)指南》。獲得中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，陜西省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。