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清华大学环境学院WR:耐氯细菌(CRB)的评价方法及其潜在风险

来源:本站原创 作者:本站编辑 2020-12-23 22:08:55 访问量统计:

图文摘要

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成果简介

近日,清华大学环境学院在环境领域著名期刊Water Research上发表了题为“Evaluating method and potential risks of chlorine-resistant bacteria(CRB): A review”的综述论文。该论文总结了耐氯细菌(CRB)的致病性风险、抗生素抗性风险及过度生长风险,系统性梳理了现有文献中分离并识别的典型耐氯细菌(CRB)的重要信息,如菌属、来源和耐氯性水平等,并在综合对比多种不同耐氯性评价方法的基础上,提出了一种规范化的耐氯细菌(CRB)评价和量化定义方法。

全文速览

本文梳理了1978年至今的CRB相关研究,着重讨论了以下几方面内容:(1)总结了CRB的致病风险、抗生素抗性风险及过度生长风险;(2) 梳理了典型CRB的菌属、来源和耐氯性水平;(3) 论证了目前缺乏被广泛接受的耐氯性评价方法这一突出问题;(4)提出了规范化的耐氯性评价方法和CRB的量化定义,为后续研究中CRB耐氯性的相互比较提供了基础。

引言

氯消毒是饮用水处理、污水再生处理等过程中最常用的消毒技术。“耐氯细菌”(CRB)通常被定义为对氯消毒具有高耐受性或能够在一定浓度的余氯下存活的细菌。由于氯消毒无法完全杀灭CRB,残存的CRB具有致病风险、抗生素抗性风险和过度生长风险。近年来,研究者对CRB的关注度显著提高。但是,目前研究者主要关注具有致病性或抗生素抗性的CRB,非致病性CRB的过度生长风险受到的关注较少。此外,目前尚无被广泛接受的CRB量化定义方法,这主要是由于不同研究采用的耐氯性评价方法和测定条件不同。耐氯性统一评价方法的缺失,导致不同文献中菌株的耐氯性水平难以相互比较。

图文导读

1.CRB的风险

氯耐性较强的CRB容易在氯消毒后成为残生细菌中的主要类群。与氯消毒前的微生物群落相比,这些消毒后剩余的CRB往往在抗生素抗性、再生长潜势、膜污堵潜势等方面具有更高的风险。现有研究对CRB的致病性风险、抗生素抗性风险的关注较多。近期有研究报道了细菌过度生长风险在消毒后加剧的现象,CRB的过度生长风险及其控制有望成为新的研究热点。 

2.CRB的耐氯机制

细胞屏障结构的选择性渗透作用和细胞组分及其代谢分泌物对氯的消耗作用是CRB产生耐氯性的内在机制。

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图1 四种提供耐氯性的细胞屏障 (a)胞外聚合物;(b)细胞壁;(c)细胞膜;(d) 芽胞膜

3.常见的耐氯性评价方法

在多种耐氯性评价方法中,对数灭活率法操作较为简单,便于不同研究间相互比较,但现有研究中氯消毒浓度和消毒时间等条件不统一,导致难以比较;CT值法和最小抑菌浓度法 (MIC)法操作较为复杂,不利于单批次多菌株的耐氯性比较;抑菌圈法容易比较,但无法反映细菌的灭活特性。

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图2  现有耐氯性评价方法示意图 (a)对数去除率法;(b)CT值法;(c)最小抑菌浓度法 (MIC);(d)抑菌圈法

4. 典型CRB菌属的报道频次

文献报道的消毒后相对丰度上升(200%以上)的典型CRB菌株中,门水平上,14株属于变形菌门,5株属于厚壁菌门,2株属于放线菌门;属水平上,出现最多的属为是Pseudomonas (假单胞菌)和 Bacillus(芽孢杆菌)。

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图3 消毒后相对丰度上升(200%以上)的典型CRB菌属的文献报道频次

研究者分离的典型CRB中,门水平上,22株属于变形菌门,9株属于厚壁菌门,13株属于放线菌门;属水平上,出现最多的5个属为Mycobacterium分枝杆菌), Bacillus(芽孢杆菌), Legionella(军团菌), Pseudomonas(假单胞菌)Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌),这5个属均包含致病菌或条件致病菌。消毒后丰度上升的CRB和分离获得的CRB菌属不完全相同,现有研究对于非致病性CRB及其过度生长风险的关注较少

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图4 分离获得的典型CRB菌属的文献报道频次

从进化树角度分析,CRB广泛的分布于多个不同的门中。通常被认为耐氯性较弱的大肠杆菌,并未显示出与CRB明显的亲缘差异。

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图5 分离获得的典型CRB菌属进化树

5. 规范化的耐氯性评价方法及典型CRB菌属耐氯性水平

推荐采用对数去除率为指标,以大肠杆菌为参考菌株评价CRB的耐氯性。建议采用0.5、2、5mg/L游离氯,消毒30分钟作为消毒条件。在规范化的消毒条件下,CRB根据耐氯性强弱被划分为强耐氯细菌(灭活率<1log),弱耐氯细菌(灭活率1-3log)和非耐氯细菌(灭活率>3log)。

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图6在规范化的耐氯性评价方法的消毒条件下,文献报道的CRB的灭活率及分类情况

结论与展望

(1)对CRB在水处理系统中过度生长风险的关注度持续上升,有研究报道了细菌过度生长风险在消毒后加剧的现象,CRB的过度生长风险及其控制有望成为新的研究热点。

(2)分离获得的典型CRB中,出现频次最高的5个属均包含致病菌或条件致病菌,且主要以饮用水为分离来源,非致病的和不以饮用水为分离来源的CRB受到的关注较少。

(3)推荐采用对数去除率为指标,以大肠杆菌为参考菌株评价CRB的耐氯性。建议采用0.5、2、5mg/L游离氯,消毒30分钟作为消毒条件。并以灭活率<1log,灭活率1-3log和灭活率>3log,界定强、弱耐氯细菌和非耐氯细菌CRB量化定义的提出,有利于对环境中CRB分布及丰度的后续研究。

作者介绍

巫寅虎 清华大学副研究员,工学博士,博士生导师。国际标准化组织水回用委员会(ISO/TC 282)专家,国际水协会中国青年委员会委员,中国环境科学学会水处理与回用专业委员会委员。主要从事再生水高标准处理与工业利用技术、再生水景观利用水华风险控制技术等方面研究。


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