铜剂量对建筑管道系统中鸟分枝杆菌（Mycobacterium avium）和嗜肺军团菌（Legionella pneumophila）生长的影响

《ACS ES&T Water》：Influence of Copper Dose on Mycobacterium avium and Legionella pneumophila Growth in Premise Plumbing

铜浓度对 premise pluming 中军团菌和短管支原体的非线性影响。通过微宇宙模型发现，250 μg/L 时军团菌增殖差异显著，2000 μg/L 短期抑制但长期恢复，揭示铜的双重作用及微生物群落适应性机制。

　　本研究探讨了铜在不同浓度下对微生物群落，尤其是机会性病原体如 *Mycobacterium avium*（*M. avium*）和 *Legionella pneumophila*（*Lp*）的影响。实验采用了一种模拟建筑内供水系统的微宇宙装置，通过使用带有成熟生物膜的PEX-b管道来重现现实中的供水环境。研究持续了11个月，使用了三个重复的微宇宙系统，分别受到0、4、30、250或2000 μg/L铜浓度的影响。研究结果揭示了铜在不同浓度下对微生物群落和病原体行为的非线性作用，为铜作为建筑内供水系统消毒剂的使用提供了新的见解。

铜作为一种金属元素，在供水系统中既可以作为营养物质，也可以作为抗菌剂发挥作用。这种双重特性使得铜在应用过程中存在一定的不确定性。在较低浓度下，铜可能促进某些微生物的生长，而在较高浓度下则可能抑制它们。这种现象被称为“激素效应”（hormesis），即低剂量的铜可能对微生物群落产生积极影响，而高剂量则可能带来负面影响。实验中观察到，当铜浓度为250 μg/L时，微生物总细胞数（TCCs）和 *M. avium* 的数量均达到峰值，这表明在这一浓度下，铜既起到了营养作用，也对某些微生物产生了抗菌效果。然而，*Lp* 的表现则出现了显著的差异，其中一个微宇宙系统中 *Lp* 的浓度始终较高，而另外两个则几乎检测不到。这种差异在多次交叉接种和重新接种尝试后仍未消除，说明 *Lp* 的生长受到某种不可预测的生态因素影响。

为了更全面地理解铜对微生物群落的影响，研究团队采用了多种分析方法。首先，通过流式细胞术监测了TCCs的变化趋势，发现铜浓度为2000 μg/L时，TCCs在短期内显著下降，但随着时间推移，微生物群落逐渐适应，最终TCCs回升并接近250 μg/L微宇宙的水平。其次，使用了数字滴定聚合酶链反应（ddPCR）技术对 *M. avium* 和 *Lp* 进行定量分析，结果显示在250 μg/L条件下，*M. avium* 的数量显著高于其他浓度。而 *Lp* 的浓度则表现出明显的随机性，这一现象在多个重复实验中被观察到，表明其在建筑内供水系统中的生态行为可能受到某些未被控制的环境变量影响。

此外，研究还通过16S rRNA基因扩增子测序分析了微生物群落的组成变化。结果显示，不同铜浓度对微生物群落结构产生了显著影响。在0、4和30 μg/L的低浓度条件下，微生物群落的组成相对一致，主要由 *Proteobacteria* 等优势菌群构成。而在250 μg/L和2000 μg/L的高浓度条件下，微生物群落的组成发生了明显变化。例如，250 μg/L微宇宙中，*Ignavibacteriae* 的丰度显著增加，而 *Chlamydiae* 和 *Bacteroidetes* 的丰度则减少。这一现象可能与铜对某些微生物的营养促进作用有关，同时也可能反映了微生物群落在铜浓度变化下的适应性调整。

在2000 μg/L的高铜浓度下，微生物多样性显著下降，表明高浓度铜可能对整个群落的结构产生了抑制作用。然而，TCCs却在实验后期有所回升，这说明某些微生物可能已经适应了高铜环境，从而在实验结束时仍然保持较高的数量。这种适应性变化可能是由于长期暴露于铜环境，微生物群落中的某些物种逐渐演化出抗铜能力，或者通过竞争机制使得对铜敏感的微生物被抑制，而耐受性较强的微生物得以生存和繁衍。

研究还发现，*Lp* 的浓度在不同微宇宙系统中表现出显著的随机性。即使进行了多次交叉接种和重新接种，也无法消除这种差异。这可能与 *Lp* 在生态系统中的复杂生命循环有关，包括其与原生动物（如 *Neochlamydia*）之间的捕食-被捕食关系。某些微宇宙系统中 *Neochlamydia* 的丰度较高，这可能抑制了 *Lp* 的生长，从而导致其在这些系统中未能成功定植。相反，在其他系统中，*Neochlamydia* 的丰度较低，这可能为 *Lp* 的生长提供了更有利的条件。因此，*Lp* 的生态行为可能受到其宿主和环境因素的共同影响，这种影响可能具有高度的随机性。

研究中还注意到，Legiolert检测的 *Lp* 浓度与ddPCR检测的 *Lp* DNA浓度之间存在差异。Legiolert检测的是可培养的 *Lp* 数量，而ddPCR检测的是总DNA含量，包括活菌和死菌。因此，Legiolert的结果可能被高估，或者由于过滤和提取过程中的DNA损失导致ddPCR结果偏低。这一发现强调了在微生物生态研究中，选择合适的检测方法的重要性，因为不同的方法可能会对结果产生不同的影响。

本研究的结论表明，铜在建筑内供水系统中的应用需要谨慎考虑其浓度和作用时间。低浓度铜可能促进某些微生物的生长，而高浓度铜则可能抑制它们。然而，这种作用并非绝对，而是受到多种因素的影响，包括水化学条件、微生物的生理特性、生物膜的结构以及水流动态等。因此，在实际应用中，必须根据具体的供水系统条件来调整铜的使用策略，以达到最佳的病原体控制效果。

此外，研究还揭示了铜对微生物群落的非线性影响。在250 μg/L条件下，微生物群落的多样性下降，但某些物种的丰度增加，这可能意味着高铜浓度下，微生物群落的结构发生了显著变化。而在2000 μg/L条件下，虽然微生物多样性进一步降低，但TCCs却有所回升，这表明微生物群落中存在一定的适应性机制。这种适应性可能为未来的铜消毒策略提供了新的思路，即在高铜浓度下，某些微生物可能通过进化或适应性行为来应对铜的毒性作用。

总的来说，本研究为铜作为建筑内供水系统消毒剂的应用提供了重要的理论依据。它不仅揭示了铜在不同浓度下的双重作用，还强调了微生物群落的复杂性和适应性。这些发现对于优化铜消毒策略、减少病原体的生长风险以及理解铜对供水系统微生物生态的影响具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨不同铜浓度下微生物群落的长期变化趋势，以及如何通过调整水化学条件来增强铜的抗菌效果，同时避免其作为营养物质对某些病原体的促进作用。