北方社区饮用水的微生物质量：水源水和处理工艺的影响

《Arctic Science》：Microbiological quality of drinking water in northern communities: influence of source water and treatment processes

　　

气候驱动的永久冻土融化（permafrost thaw）和降水变化，加上对有限水源和处理基础设施的依赖，挑战了北方饮用水的微生物安全性。然而，水细菌组成、处理方法与溶解性有机物（dissolved organic matter, DOM）之间的相互作用在这些系统中仍被忽视。研究人员调查了努纳武特（Nunavut）、努纳维克（Nunavik）和西北地区（Northwest Territories）八个北方社区从水源到水龙头的细菌群落组成，及其与DOM和养分组成的关系，以提供对北方饮用水系统中细菌生态学和潜在水安全脆弱性的全面理解。研究人员假设：(1) 水源水细菌组成随DOM组成变化而变化；(2) 供水系统中的细菌组成反映源水条件；(3) 细菌组成随处理工艺变化而变化，反映社区特定的程序。研究揭示，饮用水整体细菌组成受DOM和养分组成驱动，并沿供水系统变化，从水源到水龙头细菌丰度的减少/增加呈现社区特定模式。这些结果强调了定期监测的必要性，以识别与影响DOM的环境变化相关的微生物风险，并需要解决与处理工艺相关的社区特定脆弱性，如细菌再生长（bacterial regrowth）。这些发现增强了研究人员对北方微生物水质动态的理解，为有针对性的公共卫生干预提供信息。

**论文解读：北方社区饮用水微生物质量——水源水与处理工艺的影响**

**研究背景与问题**
气候驱动的环境变化，包括降水格局改变和永久冻土融化（permafrost thaw），正在增加对北方淡水资源的压力，特别是在饮用水供应方面。北极湖泊对降水变化尤为敏感，而变暖气候下的水文变化可能加剧北方社区饮用水水源的脆弱性，尤其是那些依赖单一水源或小型浅湖的社区。在努纳武特（Nunavut），一些社区已报告河流流量变化、湖泊水位下降和水质恶化。永久冻土融化增加了土壤渗透性，导致湖泊排水和河流干涸，同时释放汞等污染物。此外，与降水变化、陆地生产力增加和永久冻土融化相关的有机物输入增加，导致北方地表水“褐化”（browning），影响水质。溶解性有机物（DOM）的生物地球化学性质（如来源、碳浓度、组成和分子化学多样性）已知会塑造细菌群落组成。因此，褐化通过改变DOM库，预计会改变淡水生态系统功能，如向异养条件转变和细菌产量增加，这可能在处理工艺无法适应水源水质变化时影响饮用水质量。许多北方社区的水处理主要依赖消毒（如氯消毒），偶尔使用过滤，很少使用混凝，因此褐化可能改变饮用水的微生物质量。然而，在不同永久冻土背景下，对北方地表饮用水中微生物群落的表征及其与处理程序的关系仍有限且未充分探索。

**研究目的**
本研究旨在调查八个北方社区（包括努纳武特、努纳维克和西北地区）从水源到水龙头的整个供应链中饮用水细菌组成的变化，同时考虑处理方法的差异，并分析细菌组成与DOM、养分（总磷、总氮）之间的关系。研究人员假设：(1) 水源水细菌组成随DOM组成变化；(2) 供水系统细菌组成反映源水条件；(3) 细菌组成沿供应链随处理工艺显著变化，且社区特异性模式影响细菌丰度。

**主要关键技术方法**
研究人员在2019年至2021年间，从八个北方社区（Salluit、Kangirsuk、Kangiqsualujjuaq、Cambridge Bay、Taloyoak、Mittimatalik、Qamani'tuaq、Fort Good Hope）的饮用水系统多个点（水源、原水蓄水池、氯消毒点、配送卡车、家庭水龙头、公共水龙头）采集了88个水样。样本来自连续永久冻土区（除Kangiqsualujjuaq位于不连续永久冻土区）。处理方法包括氯消毒、紫外线消毒（UV disinfection）、压力过滤（pressure filtration）、混凝（coagulation）和膜过滤（membrane filtration）。研究人员通过流式细胞术测定细菌细胞计数，对16S rRNA基因的V4–V5区域进行扩增子测序（Illumina MiSeq平台）分析细菌群落组成，使用平行因子分析（PARAFAC）模型表征荧光溶解性有机物（FDOM）组分，并利用定量PCR（qPCR）和数字PCR检测肠球菌（Enterococci）及粪便污染标志物（HF183、Gull4）。

**研究结果**

**3.1 局部环境对水源水细菌组成的影响**
水源水（包括SW、RW、AW）的细菌群落组成在不同社区间存在显著差异（PERMANOVA，p<0.01），例如Kangiqsualujjuaq与Fort Good Hope和Mittimatalik差异显著。细菌群落组成与DOM和养分特征显著相关，特别是FDOM组分比例、腐殖质类微生物处理组分HM1、DOC浓度、光谱斜率S285（DOM分子大小）和总氮（TN）（Mantel检验，p<0.05）。水源水的DOM和养分组成在社区间和月份间也显著不同。大多数水源和蓄水池样本检出肠球菌，但人类特异性粪便标志物HF183未检出，而Mittimatalik在2019年7月检出海鸥相关Catellicoccus标志物Gull4，且该时期肠球菌水平最高。

**3.2 饮用水供应链中细菌群落组成的时空变化**
沿饮用水供应链的细菌组成在社区间和年份间、月份间均显著变化（PERMANOVA，p<0.05），如Kangiqsualujjuaq与Mittimatalik、Cambridge Bay、Fort Good Hope差异显著。细菌细胞计数在社区间和月份间也存在显著差异（Kruskal-Wallis，p<0.05），Mittimatalik和Taloyoak的细胞计数高于其他社区，7月达到峰值。细菌组成与DOC浓度、腐殖质类陆地组分HT4、微生物处理组分HM1、TN及FDOM组分比例显著相关（Mantel检验，p<0.05），且与水温正相关。细菌细胞计数变异由DOM组成、社区和采样点解释（线性回归模型LM1，R2=0.58，p<0.01）。

**3.3 处理与配送对饮用水细菌细胞计数和群落组成的影响**
细菌细胞计数沿供应链的变化模式因社区而异。Fort Good Hope（降低97%，Kruskal-Wallis，p<0.01）和Kangirsuk（降低90%）、Qamani'tuaq（降低55%）观察到显著或观察到的减少，而其他社区无显著变化，部分家庭水龙头（Cambridge Bay、Qamani'tuaq、Salluit）细胞计数增加（但无统计学显著性）。处理工艺对处理水中细菌细胞计数有显著影响（线性回归模型LM2，R2=0.63，p<0.01），自由氯浓度>0.2 mg L?1时细胞计数较低，且与结合氯正相关。混凝和膜过滤的Fort Good Hope处理水细胞计数最低（平均0.04×10? vs. 0.39×10? cells mL?1），而紫外线消毒或压力过滤的社区处理水细胞计数反而较高。细菌群落组成在自然水与处理水间显著不同（PERMANOVA，p<0.05），自然水中优势的Bacteroidia和Actinobacteria被处理水中的Alphaproteobacteria和Planctomycetes取代，部分家庭水龙头中Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria相对丰度增加。处理水中检测到与消毒抗性和环境机会性病原体相关的属（如Mycobacterium、Legionella、Pseudomonas）。处理水β多样性显著高于水源水，α多样性显著降低。DOM和养分组成在自然水与处理水间也存在差异，但仅在Fort Good Hope显著。

**讨论与结论**
讨论部分指出，研究结果支持假设：水源水细菌组成受DOM和养分驱动，且这种关联沿供应链持续存在，表明环境变化（如褐化）可能影响微生物水质。处理工艺显著改变细菌组成和丰度，氯消毒有效减少细菌细胞计数，但低自由氯水平（低于0.2 mg L?1指南）和高温导致家庭水龙头中细菌再生长。混凝和膜过滤比单独压力过滤更有效。低氯和pH条件（如Taloyoak pH>9）可能降低消毒效率。家庭储罐中的再生长和生物膜形成提示需加强点-of-use监测。研究强调，在气候变化背景下，需定期监测水源到水龙头的微生物质量，并考虑社区特异性脆弱性，如细菌再生长和潜在病原体持续存在。

**结论翻译**
本研究显示，北方地表水的细菌组成在不同社区间存在差异，并受DOM和养分组成（特别是FDOM组分比例、DOM分子大小、DOC、腐殖质类微生物处理组分和总氮浓度）的影响。因此，持续的地表水褐化预计会改变湖泊和河流微生物群落，进而影响饮用水微生物质量。观察到的菌群时间变异性强调了定期监测水微生物质量的必要性。水源水与家庭水龙头间的细菌组成（包括分类群和丰度）差异也受当地环境，特别是处理程序的影响，这些程序在不同社区间各异。处理水中细菌细胞计数的增加是一个潜在健康问题，因为它可能与微生物污染或家庭储罐中的生物膜形成有关，这些条件常与机会性病原体相关。总体而言，研究结果强调了当地操作人员和居民对北方饮用水系统进行紧密的源到水龙头监测的重要性，以确保有效的水质监控。在气候变化背景下，这种需求尤为紧迫，因为预计气候变化将进一步改变水源的细菌组成，从而影响饮用水供应的安全性。