食品加工环境水管生物膜的微生物群落多样性及其交叉污染风险研究

本研究针对食品加工环境中水管生物膜形成机制不明、微生物群落组成复杂的问题，系统分析了肉类加工厂使用8个月的水管内生物膜的细菌和真菌群落。通过光学相干断层扫描(OCT)、qPCR和16S/ITS测序技术，发现93.3%的水管存在生物膜，主要富集分枝杆菌属(Mycobacterium)和木霉属(Trichoderma)，并检测到低丰度的机会致病菌（如军团菌Legionella）和肉类腐败菌。研究表明水管生物膜是食品加工环境交叉污染的潜在源头，为食品安全生产控制提供了重要依据。

　　

在食品加工领域，水不仅是清洁消毒的重要介质，更是食品配料的直接组成部分。然而，看似洁净的供水系统内部却隐藏着不易察觉的微生物"堡垒"——生物膜。这些附着在水管壁上的复杂微生物群落，如同一个微型的生态系统，为各种微生物提供了生存和繁殖的庇护所。特别是在肉类加工厂等食品生产环境中，水管内壁形成的生物膜可能成为致病微生物和食品腐败菌的"储藏室"，通过水流和气溶胶扩散，对食品安全构成潜在威胁。

尽管饮用水分配系统中的生物膜研究已有不少报道，但针对食品加工环境特别是水管这一"最后一公里"的微生物群落特征，科学界仍知之甚少。水管内部环境独特，经常面临温度波动、水流剪切力、消毒剂作用等挑战，这些因素如何影响生物膜的形成和微生物组成，都是亟待解答的重要问题。更令人担忧的是，由于水管内部难以直接观察和清洁，生物膜一旦形成就可能长期存在，成为持续的污染源。

为深入探究这一问题，研究人员在《Journal of Food Protection》上发表了一项创新性研究，系统分析了肉类加工环境中使用8个月的水管内生物膜的微生物特征。研究团队从同一肉类加工厂的六个不同采样点分三次收集了15根水管样本，采用多学科交叉的研究方法，全面揭示了水管生物膜的微观世界。

研究采用了多种关键技术方法：通过光学相干断层扫描(OCT)直接观察水管内壁生物膜的形态结构；运用qPCR技术定量检测细菌和真菌的负载量（分别靶向16S rRNA基因和18S rRNA基因）；采用生化方法分析生物膜基质成分（碳水化合物、蛋白质和胞外DNAeDNA）；利用16S rRNA和ITS测序技术深入解析细菌和真菌的群落组成。所有样本均来自实际运营的肉类加工环境，确保了研究的真实性和实用性。

OCT测量结果

通过高分辨率OCT成像，研究人员仅在两根水管（B5和C3）中观察到了厚度约25μm的可见生物膜。有趣的是，在一些样本中还发现了从管壁突出的纤维结构，这些微观结构可能为微生物附着和生物膜发展提供了有利条件。这一发现表明，虽然生物膜在大多数水管中存在，但其空间分布可能具有不均匀性。

水管中的生物膜

通过生化检测标准（存在细菌/真菌且至少两种基质成分），研究发现93.3%的水管样本（14/15）存在生物膜。细菌负载量范围为0.93-5.93 log₁₀ BCE/cm²，真菌负载量为0.05-4.32 log₁₀ 1+FCE/cm²。所有样本均检测到碳水化合物（133.63-9700.08 ng/cm²），蛋白质和eDNA则分别在10个和11个样本中被检出。值得注意的是，使用频率（每日使用与每周仅使用一次）对微生物负载量和基质成分浓度均无显著影响，提示生物膜一旦形成就具有较强的稳定性。

水管中的细菌群落

对11个水管样本的16S rRNA测序分析显示，细菌群落以分枝杆菌属(Mycobacterium)(中位相对丰度11.6%)、未分类丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)、未分类红杆菌科(Rhodobacteraceae)、红球菌属(Rhodococcus)和酮杆菌属(Ketobacter)为主。机会致病菌如军团菌属(Legionella)在所有样本中均有检出，而假单胞菌属(Pseudomonas)等肉类腐败菌则丰度较低。Beta多样性分析显示不同采样点间的细菌群落存在显著差异，特别是采样点3和5的水管群落组成明显不同。

水管中的真菌群落

ITS测序揭示了真菌群落的低多样性特征，主要检出木霉属(Trichoderma)、链革菌属(Sistotrema)、多纹属(Polyschema)和星革菌属(Asterostroma)。木霉属在除B4外的所有样本中均有发现，而其他真菌类群的分布则呈现较大的空间异质性。采样点3的水管中检测到了地衣型真菌Acarosporaceae，这可能与该点位使用频率较低造成的干燥环境有关。

研究结论强调，食品加工环境中的水管是生物膜形成的"热点区域"，尽管使用相同水源和材料，不同水管的微生物群落仍表现出明显的异质性。这种差异可能源于使用频率、水流压力等局部环境因素的微妙变化。生物膜中存在的机会致病菌（如分枝杆菌属、军团菌属）和肉类腐败菌（如假单胞菌属），虽然丰度较低，但仍构成潜在的食品安全风险。

讨论部分指出，分枝杆菌属作为最优势的细菌属，与先前对家用和医院淋浴器生物膜的研究结果一致，证实了该类微生物在水环境中的广泛存在和适应能力。真菌群落中木霉属的普遍存在也与其他水系统研究相呼应，但该属微生物与细菌的相互作用（促进或抑制）可能对生物膜发育产生复杂影响。

该研究的实践意义在于为食品加工企业的水管管理提供了科学依据：常规视觉检查可能无法有效识别生物膜污染，需要结合分子和生化检测方法进行综合评估。建立针对水管的定期清洁和更换制度，特别是对使用频率较低的管线加强监控，对预防交叉污染具有重要意义。未来研究需进一步阐明环境因素如何塑造水管生物膜的微生物群落，为开发更有效的控制策略奠定基础。