污水中存在的病原微生物

污水中存在的病原微生物1、污水中病原微生物种类及危害生活污水中含有多种致病微生物，包括贾第鞭毛虫（Giardialamblia）、隐孢子虫（Cryptosporidiumsp.）、沙门氏菌（Salmonellasp.）、志贺氏菌（Shigellasp.）、霍乱弧菌（Vibriocholerae）、肠道病毒（Enterovirus）、甲型肝炎病毒（HapatitisAvirus）、脊髓灰质炎病毒（Polioviruses，PV）、柯萨奇病毒（Coxsackieviruses）和埃可病毒（EntericCytopathogenicHumanOrphanvirus,ECHOvirus）等，是传播疾病的主要媒介。水体中的病原微生物主要来源于人畜粪便及生活污水污染，从种类上可划分为细菌、病毒和原生动物三大类。表1-1列举了城市污水中常见的病原微生物及其危害。其中肠道病毒泛指可经由肠道粪便途径传播的病毒的总称，肠道病毒的传播通常有三种方式：人与人接触传染；经污染有粪便的水媒传播；经污染的食物传播，而食物的污染通常由污染的水所致。一般的污水处理虽可去除部分病原微生物，但仍有相当数量继续存在，如果病原微生物在污水处理系统中得不到高效去除，进入自然环境后会对人类健康存在潜在威胁。进入环境中的病原体可在不同的条件下存活相当长的时间，取决于光照、温度、pH等外部条件，病原体在不同环境下的存活情况如表1-2所示，其中病毒在污水、自来水、土壤中存活可达数月之久。2、指示微生物的选择由于目前缺乏对所有病原微生物进行有效定量分离的方法，并且直接检测水中的各种病原微生物方法较为复杂且安全性较差，检测污水中所有的病原微生物是不切合实际的。可行的方法是检测既能指示粪便污染又能反映污水处理和消毒效果的微生物。生物学综合指标主要是用来评价和控制再生水中的病原微生物，预防流行性传染病的大范围爆发。如从病原微生物的分类出发，分别从细菌、病毒、寄生虫中选出有代表性的指示生物，对于评价水质的生物学安全性具有重要意义。表1-1城市污水中常见的病原微生物及其危害病原体健康危害病毒(viruses)肠道病毒(Enteroviruses)：有72种血清型，包括脊髓灰质炎病毒、埃可病毒，柯萨奇病毒和新型肠道病毒胃肠功能紊乱，急性胃肠炎，心肌炎，脑膜炎，脑炎及瘫痪性疾病，流行性皮疹病，呼吸道感染，气管炎和肺炎，流行性眼结膜炎，侵犯腮腺、肝脏、胰腺、等器官。甲肝病毒(HepatitisAvirus)肝脏功能障碍，肝炎腺病毒(Adenovirus)呼吸道疾病，眼部感染轮状病毒(Rotavirus)胃肠功能紊乱，腹泻、呕吐，肠胃炎诺沃克因子(Norwalk)肠型流感的致病因子，胃肠功能紊乱呼肠孤病毒(Reovirus)痢疾，腹泻，恶心，呕吐，发热星形病毒(Astrovirus)胃肠功能紊乱冠状病毒(Cronavirus)痢疾，腹泻，吸道感染，气管炎和肺炎细菌(Bacteria)志贺氏菌(Shigellaspp.)痢疾，腹泻，呕吐，发热，关节炎沙门氏菌(Salmonellaspp)结肠炎，痢疾，心内膜炎，心包炎，脑膜炎埃希氏杆菌正(Escherichiacoli)胃肠功能紊乱，腹泻，呕吐霍乱弧菌(Vibriocholera)腹泻，呕吐，死亡军团菌(legionellaspp.)军团病，肺炎，发烧，死亡耶尔森氏鼠疫杆菌阶(Yersiniaspp.)痢疾，腹泻，呕吐，关节炎原生动物(Protozoa)兰伯氏贾第虫(Giardialamblia)长期慢性痢疾，腹泻隐抱子虫(Cryptosporidinm)痢疾，发烧痢疾内变形虫(Entamoeba)内变形虫病，阿米巴痢疾内变形虫病，阿米巴痢疾目前常用的指示微生物是总大肠杆菌（TC,TotalColiforms）和粪大肠杆菌（FC,FecalColiforms）。由于肠道致病菌在自然界作用的方式和大肠杆菌相似，大肠菌群数的降低程度可间接反映致病菌相应数量级的减少。我国也通常选择总大肠菌群/粪大肠菌群作为控制污水中病原微生物再生繁殖的卫生学安全指标。与大肠菌群相比，病毒、寄生虫对消毒处理的抵抗力更强，在环境中也能存活很长时间。国内外的研究成果表明：总大肠菌并不足以反映病毒、原生动物和寄生虫的存在，许多肠道病毒对化学消毒剂的抵抗力更大。因此，以总大肠菌群数和粪大肠菌群数作为卫生安全控制指标受到了挑战。研究者开始寻找可替代的指示微生物或可直接检测病原微生物的方法。表1-2不同环境介质中病原体存活情况病原体存活时间/d淡水海水土壤农作物病毒11-30411-8716-1800.4-25沙门氏菌＜10＜1015-1005-50霍乱菌30＜285＜20＜5粪大肠菌＜10＜6＜100＜50原生动物孢囊176365＜75蛔虫卵1.5a2a1-2a＜60绦虫卵631687months＜60吸虫类30-180＜2＜10130作为评价水质的指示生物应具备以下标准：指示生物存在于待测微生物的原水中，在未被污染水中不存在，指示生物在数量上应高于待测定的微生物；指示生物和待测微生物对自然条件和水或污水处理过程的抗性相似；应易于分离、鉴定和计数。噬菌体作为细菌病毒，在污水中普遍存在，其数量高于肠道病毒，浓度可高达1.3×105~9.5×107PFU∙mL-1（PFU为噬菌斑数，每个噬菌斑代表一个噬菌体）[23]，可直接用噬菌斑计数法测得其浓度，并且与肠道病毒等动物病毒在数量上有很好的相关性。并具有对自然条件及水处理过程的抗性高于细菌，接近或超过动物病毒；对人没有致病性，可以进行高浓度接种和现场试验；检测噬菌体的操作简便快速、安全、设备简单等优点。故美国EPA提出用大肠杆菌噬菌体作为病毒指示生物。水质评价中常用噬菌体包括：SC噬菌体，F-噬菌体和脆弱拟杆菌的噬菌体，其中F-RNA噬菌体是最常用的肠道病毒的指示生物。F-RNA噬菌体在性质上接近肠道病毒，其MS2亚群（1类群）的MS2和f2噬菌体，与肠道病毒的传统指示生物脊髓灰质炎病毒相比较，具有几乎相同的基因结构，均是20面体结构的单链线性RNA病毒，在物理、化学特性方面有许多相类似，见表1-3。在多种水体中，F-RNA噬菌体的浓度与可培养肠道病毒有数量上的对应关系[28]。对紫外消毒的抗性与肠道病毒类似，据统计，F-RNA噬菌体对紫外消毒的抗性是脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、呼肠孤病毒的0.96~1.43倍。表1-3噬菌体f2与脊髓灰质炎病毒的比较特征噬菌体f2和MS2脊髓灰质炎病毒毒粒核酸RNARNA衣壳对称性立方形立方形被膜无无衣壳直径（nm）20~2527~30pH稳定性3~103~10核酸链数11形状线形线形核苷酸33006000蛋白质多肽数24复制类型正链侵染性复制正链侵染性复制2、污水处理工艺对病原微生物的去除经人类粪便、消化道排出的病毒超过140多种，每克人类粪便中总大肠菌和大肠埃希氏菌含量约108个，被肠道病毒感染的人所排泄的每克粪便中可含有1011个病毒，因此城市污水中含有大量的病原体。常用污水二级处理工艺包括活性污泥法、A2/O法、氧化沟法、MBR和生物滤池等，不同污水处理工艺（不含消毒工艺）对病原微生物的去除效果如下表1-4所示。我国现行水质标准对总大肠菌群和粪大肠菌群等做了规定，但没有指定健康风险较大的致病菌、病毒、病原虫等生物学指标。如我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定了污水厂出水中粪大肠菌群的浓度限值，对应一级A、一级B和二级标准的FC浓度限值分别为103、104和104个∙L-1，三级排放标准没有限定出水FC浓度。文献表明生活污水中FC浓度在107~109个∙L-1，污水在经过一级和二级处理后，病原微生物得到一定程度的削减，但出水浓度仍较高，以FC为例，出水浓度仍高达105个∙L-1，超出二级排放标准10倍以上（如表1-4所示）。表1-4污水厂二级处理工艺对病原微生物的去除效果处理工艺进水浓度/个∙L-1出水浓度/个∙L-1活性污泥法FC:107SC:107F-RNA:104~105FC:105SC:104~105F-RNA:103~104隐孢子虫:238（均值）贾第鞭毛虫:1568（均值）隐孢子虫:6贾第鞭毛虫:22轮状病毒:106~108103~105A2/O法SC:106~107F-RNA:105~106SC:105~106F-RNA:105~106E.coli:105~109TC:109~1011E.coli:103~106TC:106~109氧化沟法SC:107F-RNA:106~107SC:105F-RNA:105~106FC:1.4×106SC:4.33×104FC:1.33×105SC:4.67×103——TC:106~109FC:105~108MBRTC:107~1010FC:105~109FS:105~107F+噬菌体:103~1.1×107TC:20~4.8×103FC:0~3.78×103FS:0~2×102F+噬菌体:0~102SC:104~106F-RNA:104~106SC:0~102F-RNA:0~10生物滤池TC:3.14×108FC:2.4×109TC:1.53×105FC:2.44×105注：TC（Totalcoliforms）：总大肠菌群；FC（Fecalcoliforms）：粪大肠菌群；FS（Faecalstreptococci）：粪链球菌；E.coli（Escherichiacoli）：大肠埃希氏菌；SC（Somaticcoliphages）：SC噬菌体；F-RNA（F-specificbacteriophages）：F-RNA噬菌体。城市污水厂二级处理出水排放量大，且含较高浓度的病原微生物，这对于自净能力有限或者已经受到污染的收纳水体而言，是其主要污染来源之一[41,42]。研究表明我国各大水系均受到一定程度的微生物污染。以北京温榆河流域为例，干流下游粪大肠菌群（FC）均值达6.3×106个∙L-1以上，高出V类标准（40000个∙L-1，《地表水环境质量标准》（GB3838-2002））2个数量级，其主要原因在于上游某大型城市污水处理厂的较高FC浓度二级出水的排放。通常采用消毒工艺降低污水厂出水病原微生物浓度，降低其卫生安全风险。常用消毒工艺包括氯消毒、臭氧消毒、紫外消毒和超滤法等。但在权衡技术、经济和消毒效果等方面的因素，目前氯作为消毒剂仍具有明显的优势。吴惠霞等在实验室条件下研究了不同余氯量及不同接触时间对医院污水中病毒的灭活情况，结果如表1-5所示。实验结果表明：加氯量为10mg∙L-1，消毒接触时间为90min，余氯量为6.20mg∙L-1，肠道病毒灭活率才能达到100%。表1-5消毒剂浓度与消毒时间对肠道病毒灭活的影响接触时间/min投加量/mg∙L-1处理前（TCID50）处理后（TCID50）去除率/%1083.582.7186.51602.0097.37901.0099.7410103.742.3496.02601.3499.6090未检出10010123.582.1696.20601.2299.5690未检出10010163.742.0098.18601.0099.8290未检出100