饮用水中隐孢子虫与贾第虫的危害及其去除灭活研究*

徐宏平，冉治霖，李绍峰，张可方

饮用水中隐孢子虫与贾第虫的危害及其去除灭活研究*

徐宏平1,3，冉治霖2,3，李绍峰3*，张可方1

（1.广州大学土木工程学院，广东广州510006；2.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东深圳518172；3.深圳职业技术学院深圳市工业节水及城市污水资源化技术重点实验室，广东深圳518055）

本文在介绍“两虫”即贾第虫和隐孢子虫的生态、危害及传播的基础上，综述了常规水处理工艺、膜法及组合工艺对“两虫”去除效果；分析了各种消毒剂和消毒方法灭活的优缺点，提出多种方法协同灭活将成为水消毒技术研究和开发的一个发展方向。预处理、絮凝、沉淀、澄清和过滤等常规水处理单元不能有效去除两虫，难以保证饮用水安全；膜过滤法两虫去除效率高，但大规模应用困难较大。而常规的氯消毒剂灭活两虫的效果不佳，臭氧对两虫的灭活效果优于氯和二氧化氯；UV能有效灭活两虫，但穿透力弱，UV灯管寿命短，运行费用高；US灭活两虫，能耗比较高。单一的消毒剂灭活两虫效果欠佳，采用多种消毒剂（方法）联合使用，通过协同作用，可达到较高的灭活率。

隐孢子虫；贾第鞭毛虫；饮用水；去除；灭活

隐孢子虫（Cryptosporidium）和贾第鞭毛虫（Giardia）,是两种常见的肠道原生寄生虫，具有广泛的脊椎动物宿主，包括哺乳动物、啮齿动物、鸟类、鱼类和爬行动物等[1]。近年来，全球范围内的“两虫”疾病不断暴发流行,对饮用水安全构成了严重威胁，已引起世界各国的关注。许多国家和地区如欧盟、美国、澳大利亚等已将“两虫”纳入供水安全检测和控制的硬性指标[2]；2006年我国颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定了饮用水中隐孢子虫和贾第虫（以下简称“两虫”）的含量小于1个/10L。新标准将“两虫”作为控制指标,说明我国已开始重视水中的“两虫”问题。

1 隐孢子虫与贾第虫的生态、危害及传播

隐孢子虫和贾第虫可通过饮用水传染并使人致病，由于体积微小、分布广泛，常规的水处理工艺或消毒方式不能有效将其去除（或杀灭）。普通人对“两虫”疾病普遍易感，尤其是免疫力低下或缺陷者如婴幼儿、艾滋病患者等更易受感染。感染后的症状一般表现为恶心、发烧、腹痛、腹泻等，对免疫力低下或缺陷者甚至可能会危及生命。近些年来，“两虫”疾病呈全球性流行趋势，其中全球有70多个国家有报道，超过300个地区发现“两虫”疾病的流行。两虫问题严重威胁着人们的饮用水安全，两虫疾病也已成为各国需要重点防控的公共卫生疾病。

1.1 “两虫”的形态与生活史

隐孢子虫是一种寄生性的致病原生动物，可寄生于人类和多种动物的消化道及呼吸道的上皮细胞表面。目前，已经从哺乳类、鸟类、两栖类和鱼类等动物体内分离出20多个种和60种基因型的隐孢子虫，其中至少有5个种的隐孢子虫被鉴定可以感染人类[3]，分别为犬源隐孢子虫、安氏隐孢子虫、猫隐孢子虫、人隐孢子虫和微小隐孢子虫。其中犬源隐孢子虫主要感染HIV病人和儿童，而人隐孢子虫和微小隐孢子虫则是最易感染并使人患病的两种类别[4]。

隐孢子虫卵囊呈卵形或圆球形，直径一般约为4～6μm，显微镜下卵囊形态见图1。

图1 显微镜下隐孢子虫的卵囊形态Fig.1 The morphology of cryptosporidium parvum under a microscope

其卵囊分薄壁与厚壁两种，厚壁卵囊约占80%，能在恶劣环境中长时间存活，而薄壁卵囊只占20%。通常，隐孢子虫的整个生活史是在同一个宿主内完成，它同时涉及到有性生殖和无性生殖。在其生命周期中主要有6个发展阶段，分别是脱囊、裂殖生殖、配子生殖、受精和受精卵发育、形成耐恶劣环境的卵囊壁及孢子生殖，见图2[5]。隐孢子虫经过5～11d左右生活史周期后，最终以卵孢子的形式随宿主粪便排入环境中，条件适宜时可再次感染并进行生活史循环。

图2 包含无性生殖和有性生殖阶段的隐孢子虫的生活史Fig.2 Life cycle of Cryptosporidium sp.Consisting of asexual and sexual stages

贾第鞭毛虫外形为椭圆状或油滴状，直径为8～14μm，蓝氏贾第鞭毛虫及其孢囊的形态见图3。

图3 蓝氏贾第鞭毛虫及其孢囊的形态Fig.3 Morphology of Giardia lamblia Stiles and its c1yst

贾第虫因受外层厚膜的保护，能抵抗恶劣环境，在4℃低温下可存活数月。与隐孢子虫相似，贾第虫也寄生于宿主体内，其孢囊随宿主粪便排至体外。人一般在贾第虫感染10d左右，就会出现腹痛、腹泻、发烧等症状[6]。不同动物贾第虫分离株可划分为5种不同的基因型，即C、D、E、F、G型，前两种基因型主要感染犬类，后3种分别感染家畜、猫和家鼠。有研究表明，犬类和牛类的分离株与来自人体的分离株在抗原性和形态学上保持一致性，所以，研究来自这3类宿主源的贾第虫对人感染贾第虫病预防研究具有很强的现实意义[7]。

1.2 “两虫”疾病的传播

隐孢子虫和贾第鞭毛虫作为肠道病原微生物,寄生于宿主体内,最终分别以卵囊和孢囊的形态随粪便排出体外,通过污染的水源或食物经口再次感染其他宿主。“两虫”疾病传播方式主要有4种，分别为：（1）接触传播：孢囊或卵囊随粪便排出宿主体外,具感染性,通过人之间的密切接触传播；（2）水源传播：在农村,粪肥或粪便处理不当易造成水源污染；在城市,受污染水源中“两虫”的卵囊或孢囊在水厂处理过程中未被完全去除或杀灭，则易造成水源性流行；（3）食物传播：使用未经处理的粪肥,导致蔬菜和水果受孢囊或卵囊污染。另外,饮用未消毒的牛奶也有感染隐孢子虫的危险；（4）经呼吸道传播：由于隐孢子虫卵囊十分微小,可随尘埃经空气传播，人与动物可通过呼吸受到感染[8]。

隐孢子虫病在流行上也具有明显的人群、季节、区域特征：一般，2岁以下的婴幼儿发病率较高，但男女间无明显差异；旅游者多于非旅游者；温暖潮湿季节发病率相对较高；农村多于城市，沿海港口地区多于内陆；经济落后、卫生条件差的地区多于经济发达地区；畜牧区多于非牧区。而贾第虫病在流行上的特征是：儿童高于成人，夏秋季节发病率高。

2 两虫的去除方法

孙磊等[9]对上海市饮用水源水中的两虫污染情况进行了调查，结果表明上海水源水中普遍存在贾地鞭毛虫与隐孢子虫，其密度分别在0～6和0～8个/10L。周美芝等[10]对南方两个典型水厂的原水中“两虫”情况进行调查,结果显示两个水厂均呈“两虫”污染阳性。其中A和B水厂10 L原水中卵囊和孢囊的浓度分别为1～10个、3～13个；1～2个、1～3个。相比于贾第虫，隐孢子虫体积更微小、对消毒剂的耐受力更强、致病剂量也更低，在同等条件下，如果隐孢子虫都被去除，则贾第虫也同时被完全去除，因此，许多研究都将隐孢子虫作为两虫的控制目标。

2.1 预处理

意大利都灵[11]将水引至水库进行预沉淀处理,每100L进水贾第鞭毛虫胞囊和隐孢子虫卵囊含量的平均值分别为137个和70个,出水分别为46个和7个,对数去除率分别为0.4和0.7。Dolejs等[12]发现，通过在处理前加入预臭氧化工艺，能够明显提高常规处理工艺去除隐孢子虫的去除效果。预臭氧能改变隐孢子虫卵囊的表面性质，使其在后续混凝工艺中被絮体包裹去除。

2.2 常规水处理工艺处理

Betancourt等[13]总结了在美国一些大中型水厂不同水处理工艺单元隐孢子虫的去除情况。发现预处理、搅拌混合、絮凝、沉淀、澄清和过滤等工艺的去除率分别为17.9%、61.2%、70.6%、65.2%、24.4%和84.6%。由此也表明，水厂的混凝、沉淀单元并不能有效去除水中“两虫”。

正常运行的滤池对两虫的去除有良好的效果。Hashimoto等[14]通过研究发现在日本一些水厂的快滤池中，贾第鞭毛虫和隐孢子虫的对数去除率分别达到2.53和2.47。而Nieminski[15]则指出，若滤池在最优条件下运行（滤后水浊度<0.2NTU）时，两虫的去除率则分别为3.31g和2.91g。砂滤、直接过滤和双层滤料等不同的过滤方式对两虫的去除效果差别不大，而慢滤池对隐孢子虫的去除率可高达41g。

2.3 膜法处理

膜法主要是通过截留作用来实现对“两虫”的去除，只要膜设备运行正常,即使进水水质发生变化,出水中两虫数量也不会超出检出限。超滤（孔径为0.0013μm）和微滤（孔径为0.25μm）能完全去除水中的两虫卵囊[11]。Jacangelo等[16]采用3个厂家的超滤膜和4个厂家的微滤膜进行了隐孢子虫卵囊去除的模型试验研究,结果发现，在滤后出水中均未检出隐孢子虫卵囊。为完全去除水中类似于隐孢子虫的微粒子，李伟英等[17]以水厂的砂滤水和较洁净的地表水作为金属膜过滤原水，进行了金属膜过滤性能试验。结果表明，金属粉末烧结过滤器在高通量（50m·d-1）下可以稳定运行，同时能够保证对隐孢子虫的去除率超过99.999%。

2.4 组合工艺处理

Hsu等在台湾南部进行中试试验,采用3种工艺考察对贾第鞭毛虫和隐孢子虫去除效率：（1）无预氧化的常规工艺+GAC滤池；（2）预O3+常规工艺+O3/GAC；（3）常规工艺+膜。每100L进水中,贾第鞭毛虫和隐孢子虫分别为11.4±4.0个和56.1±30.1个，工艺（1）、（2）出水贾第鞭毛虫全部去除；隐孢子虫为每100 L含有4.7个，试验中发现预臭氧不能杀死隐孢子虫，但可有效破坏隐孢子虫和贾第鞭毛虫胞囊结构，使其易于被后续工艺去除。而后臭氧几乎没有作用。流程（3）出水贾第鞭毛虫和隐孢子虫全部去除。Hsu认为预臭氧和膜处理工艺去除两虫效果较好[11]。

3 “两虫”的灭活方法

水处理工艺中对两虫的“灭活”主要发生在消毒阶段。消毒工艺是水处理工艺的基本单元，也是水厂对“两虫”以及其他病原虫最后控制的主要环节，尤其是当常规水处理单元混凝沉淀过滤等无法完全去除“两虫”时。

3.1 典型水处理杀菌剂灭活“两虫”

氯气（Cl2）多年来一直被国内外许多给水厂用作消毒剂，并且其具有使用方便，成本低、效果好等优点。Cl2也较早被用作“两虫”卵囊（或孢囊）的灭活的研究，由于两虫对Cl2有较强的抵抗力，Cl2的灭活效果不够好。有研究表明，如果要实现99%的灭活率，CT值需7200mg·min·L-1[18]。近些年的研究发现Cl2消毒会产生卤代烃类的消毒副产物，存在较大的安全隐患，越来越多的水厂采用其他的方式来替代Cl2消毒。因此，Cl2消毒不是的灭活两虫的理想方式。

二氧化氯（ClO2）消毒效果优于Cl2，其杀菌机理主要是通过所释放出的新生态氧及次氯酸分子的强氧化作用，使微生物中的氨基酸被氧化分解而抑制其生长并将其杀灭。Ruffell等[19]研究了温度和pH值对ClO2对隐孢子虫卵囊灭活效果的影响。研究发现，在pH值同为8.0时，要达到数值为2的对数灭活率，在温度分别为4、10、20和30℃的条件下，所需要的CT值则大约依次为880、410、150和40（mg·min）·L-1。另外，在温度同为20℃时，pH值分别为6、8和10时，要达到2-log10的灭活率所需的CT值则依次为136、136、102（mg·min）·L-1。冉治霖[20]通过实验发现，浊度是影响ClO2灭活两虫的主要因素,浊度越低,灭活效果越佳。因为浊度较高时，杂质颗粒对隐孢子虫起保护作用，阻碍了消毒剂对两虫的杀灭，影响灭活率。且酸性较于碱性更适宜ClO2灭活隐孢子虫,可溶性有机物一定程度上影响ClO2的灭活效果。

作为一种高效的消毒剂，O3具有极强的氧化性，可以破坏微生物的细胞壁、细胞膜，使细胞发生通透性畸变，细胞溶解死亡，也可以氧化微生物的酶系统，使微生物失去活性。LI等进行的隐孢子虫卵囊臭氧灭活实验中发现,温度为13℃，pH值范围6～8时,要达到2-log10的灭活率需要的CT值在11.8～12.4（mg·min）·L-1之间[21]。Ran等[22]的研究结果也表明O3可以有效地灭活隐孢子虫卵囊，一般情况下在投量为3mg·L-1时，接触7min,可以达到良好的处理效果。

3.2 物理法（UV、US等）灭活“两虫”

紫外线灭菌主要是利用波长在254nm附近紫外线的能量，对微生物进行辐射，损伤和破坏核酸的功能，而使微生物致死。Belosevic等曾报道在用10 W低压或者1kW中压的紫外灯辐照，能使隐孢子虫灭活[23]。Craik等[24]用鼠感染实验来评价灭活效果,研究发现，在UV剂量少于25mJ·cm-2时，隐孢子虫卵囊的灭活率随UV剂量的提高而增大,且水样种类、温度、悬浮卵囊的浓度以及光的辐照强度对卵囊的灭活均影响不大。根据USEPA的建议，在UV剂量分别为2.5和5.8mJ·cm2时，隐孢子虫卵囊的对数灭活率可分别达到1和2，这一点在Rochelle等[25]研究人员的研究中得到证实。

超声波（US）能通过对物质的机械、空化或热作用来改变物质的理化，生物特性或状态。其机械作用能够改变水中颗粒物的粒径组成，而空化作用产生瞬时的高温高压能引发一系列物化反应，并在水中产生大量羟基自由基，破坏了微生物的细胞壁和细胞膜而使细胞质流出，使细胞酶及转运系统受到破坏，超声的空化作用也被认为是导致微生物灭活的主要原因[26]。Olvera等人[27]采用探头式超声发生器（1MHz,4.1W）对浓度为3.3×102/mL的隐孢子虫卵囊分别进行灭活。结果发现，2min的灭火率为87.82%，而4和10min的灭活率则同为94.02%。最近，研究人员通过扫描电镜观察及动力学分析探究了超声灭活隐孢子虫的机制，结果表明，超声可破坏隐孢子虫的细胞结构，而自由基氧化作用对灭火率的贡献率为15.6%，由此也证实灭活的主要机制为空化作用产生的机械剪切作用[28]。

3.3 不同消毒剂或消毒方式的协同灭活

相对于单一的一种消毒剂或消毒方式灭活，在协同作用下，可以达到更高的灭火率，同时能够降低药剂消耗，降低成本，这是协同灭活的优点。消毒剂的联用或者不同消毒方式的组合也将会是今后研究两虫“灭活”的趋势之一。首先，不同化学消毒剂可以协同灭活，Kaushik等[29]发现在温度为21℃、pH=6的条件下，仅仅用氯胺消毒时或者先用臭氧预处理，在CT值同为1500（mg·min）·L-1时，前者的对数灭活率大约只有0.3，而后者的对数灭活率超过3。同样，臭氧和二氧化氯之间也存在着互相协同的作用，Benito等人在实验中发现20℃、pH值为8.0时，单独用ClO2消毒或者先进行臭氧预处理，要达到相同的对数灭活率2时，前者所需要的ClO2的CT值为60（mg·min）·L-1，而后者所需要的CT值仅为20（mg·min）·L-1左右[30]。

除化学消毒剂之间可以联用外，还可以将化学消毒剂与UV消毒组合灭活。Meunier在水厂处理工艺中采用臭氧与紫外光联用净化水质，结果表明，联用后对隐孢子虫等微生物的灭活、氧化微污染物等都起到良好效果[31]。Burns通过将臭氧协同紫外光来灭活两虫,发现可以达到比单独使用臭氧成本更低的目的[32]。

另外，UV与TiO2联用（即TiO2光催化技术）因操作方便、成本低、反应条件温和等诸多优点，受到广泛关注。2008年Hodon等[33]运用TiO2光催化剂与UV联用研究了对水中隐孢子虫的灭活效果，结果发现：加入光催化剂后，只需要11.0mJ·cm-2紫外光剂量就可以使灭活率达到99.9%。

协同灭活还有其他联用方式，如超声与化学药剂（Cl2、ClO2或臭氧等）的组合或超声与UV的组合。前一种方式中，先由US破坏细胞壁，而后药剂渗入细胞内部就达到增强效果的目的；后一种方式中，在US破坏细胞壁的同时，UV可以更好地穿透两虫的卵囊或者孢囊从而实现对两虫的杀灭。

4 结论

“两虫”的介水传播和暴发流行给饮用水安全带来了隐患，“两虫”疾病也成世界性分布，引起各国关注。水处理工艺中对“两虫”的控制主要从去除、灭活两方面来进行：

（1）预氧化、絮凝、沉淀、过滤等常规水处理工艺和膜分离工艺均可使“两虫”部分去除，而混凝沉淀工艺起到主要去除作用。在经过这些常规处理工艺后，依然可能会有少部分“两虫”尚未去除，此时作为水处理最后环节的消毒工艺对两虫的杀灭起重要的作用。另外，膜过滤或者反渗透方法也可以对两虫进行去除，但成本高，尚不能代替常规水处理工艺；

（2）氯、ClO2和O3等常规水处理杀菌剂虽然对灭活两虫有一定的效果，但易产生消毒副产物,且O3则在三者中灭活效果最佳。在物理灭活方法中，UV法能较好灭活两虫，但紫外线穿透力弱，且灯管易结垢，寿命短，运行费用较高。超声也是一种有效的灭活两虫方式，且不产生消毒副产物，因能耗比较高，暂时还不能在水厂中大规模应用；

（3）采用单一的消毒剂（或消毒方式），效果往往欠佳，多种消毒剂（或消毒方式）联合使用，通过彼此间的协同作用，可达到较高的灭活率，且能够降低运行费用。寻求安全、高效、经济的两虫去除和灭活方式是保障饮用水安全的研究方向，而协同作用灭活（或去除）是未来研究水处理工艺中两虫控制的重点。

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Removal and inactivation of cryptosporidium and giardia in drinking water treatment*

XU Hong-ping1，3，RAN Zhi-lin2，3，LI Shao-feng3*，ZHANG Ke-fang1
（1.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China；2.Department of Transportation and Environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172 China；3.Shenzhen Key Laboratory of Industrial Water Saving and Municipal Sewage Reclamation Technology,Shenzhen Polytechnic Institute,Shenzhen 518055,China）

This paper introduces the ecology,harm and spreading of the“two worms”firstly,and then it summarizes conventional water treatment process,biomembrace treatment process and combined process’removal on the“two worms”;Also,the paper analyses the advantages and disadvantages of various disinfectants and disinfection methods on the inactivation of the“two worms”,and it proposes that collaborative inactivation methods is the direction of the disinfection techonology indrinking water treatment.Pretreatment,coagulation,sedimentation,filtration and other traditional water treatment processes can not effectively remove the“two worms”,so it is difficult to ensure the safety of drinking water.In addition,the membrane filtration method can also be used to remove the“two worms”,but the cost is high,so it’s not suitable for large-scale application.The traditional way of chlorine disinfection isn't effective in the inactivation of the“two worms”.While in the chlorine,chlorine dioxide and ozone oxidation,the method of ozone oxidation is the best for the inactivation of the“two worms”.UV method can inactivate the“two worms”,but ultraviolet penetration is weak and the ultraviolet lamp life is short,additionally,the lamb is easy to aging and the operating costs is high.Ultrasound is an effective way for the inactivation of the“two worms”,but it can't be used in waterworks at present.The effect of single disinfectant is poor in inactivation,if several disinfectants are used in combination,we can achieve a higher rate of inactivation.

cryptosporidium；giardia；drinking water；removal；inactivation

Q959.115

A

1002-1124（2014）08-0050-05

2014-06-05

广东省科技计划（2011B030800018）；深圳市科技计划（JCY J20120617141700417）；广东省自然科学基金（S201204000 7855）

徐宏平（1989-），男，安徽桐城人，硕士生，主要研究方向：水污染控制技术。

李绍峰（1972-）,男,黑龙江佳木斯人，博士，教授，主要研究方向：水污染控制及污水资源化技术。