景观河道病原微生物污染来源与分布特征

2020-05-13徐晓璇康丽娟叶建锋浦娴娟

上海大学学报（自然科学版） 2020年2期

徐晓璇, 康丽娟, 叶建锋, 焦正, 浦娴娟

(1.上海大学环境与化学工程学院,上海200444;2.上海市环境科学研究院,上海200233)

病原微生物是我国水体污染的主要污染物之一[1].据调查,粪大肠菌群的含量在我国地表水体中普遍偏高,部分水域中的菌群含量甚至超过我国V类水质标准的数万倍[2].近年来,有关景观水体中病原微生物的报道逐渐增多[3-4].唐伟等[5]通过对浑河(抚顺段)水质粪大肠菌群污染现状的研究,发现整个浑河(抚顺段)粪大肠菌群严重超标,超过标准值的100倍以上,而这些粪大肠菌群主要来源于生活污水.王利荣等[6]对黄河兰州段粪大肠菌群污染的研究发现,该河段粪大肠菌群污染严重,最高超过标准值的100倍,超标率是其他主要污染项目的几十倍.《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定:指示微生物总大肠菌群和粪大肠菌群数量应分别小于等于1.0×104和2.0×103个/L.景观水体中的病原微生物能够通过直接接触、空气扩散等途径传播,引起人类疾病的爆发,威胁人体健康[7-10].因此,了解景观河道病原微生物的污染情况及其来源,明确景观河道中病原微生物的分布具有重要意义.

由于水中病原微生物种类繁多、生物量少、检测繁琐,因此往往通过检测指示微生物来评估水体病原菌的污染状况[11-12].陈胜蓝等[13]等通过研究发现,指示微生物在一定程度上可以反映水体中病原微生物的存在情况,其监测结果可以作为病原微生物污染状况的一个初步表征.在现阶段,粪大肠菌群和大肠菌群等常规指示微生物是研究和评价景观水体环境质量的基础生物指标,也是流行病学、卫生学上公认的指标和主要监测项目[14-16].因此,选取粪大肠菌群和大肠菌群为主要污染指标探究景观河道污染,有助于更好地分析景观水体中病原微生物的分布情况以及污染来源.

1 材料与方法

1.1 监测点设置

本研究选取上海中心城区空间临近、水质差异较大的3条河道为研究对象:河道1水质较差,有1个雨水泵站;河道2与河道1平行,直线距离2 700 m,水质较好;河道3为公园内部河流,与外界不连通,与河道1和河道2直线距离1 200 m左右.3条河道均无直接入河点源,地面径流为3条河道主要的外源污染来源.河道1有地表径流由泵站集中排放,故沿泵站排放口混合区、上下游500 m各设置一个监测点.河道2和河道3选取河道中游设置一个监测点.监测点分布及河道常规水流方向如图1所示.

1.2 样品采集与测定

样品采集于2017年8月.各监测点取表层水样装入预先经高压灭菌处理的带盖离心管中,4°C保存至实验室待测.

利用粪大肠菌群测试片测试水样中粪大肠菌群数量.充分摇动采样瓶,取样品于灭菌离心管(或其他带盖灭菌容器),使用移液枪和灭菌枪头吸取9 mL无菌水于15 mL无菌离心管中,再加入1 mL水样,充分震荡(上下剧烈摇动离心管约25次,避免悬浮物分布不均匀,上下浓度不同).同理,依次稀释至100倍、1 000倍.先充分震荡(同上),取700µL稀释液,涂布于MPN纸片上(一个浓度涂5片,一条河道共15片),纸片充分浸润吸收水样,用手轻轻压平,在44.5±0.5°C恒温培养箱中培养18～24 h,统计10倍、100倍、1 000倍稀释后的阳性样品倍数,根据说明书确定MPN数.利用大肠菌群测试片测定水样中大肠菌群数量.掀起薄膜,取1 mL稀释样品(稀释方法同粪大肠菌群)接种于纸片中央.待水样被充分吸收后,盖上塑料膜,可轻轻按压,保证水样完全吸收均匀.接种完毕后放入37°C恒温培养24 h.

图1 监测点分布图Fig.1 Location of the monitoring sites

2 实验结果

2.1 病原微生物的分布情况

5个监测点的粪大肠菌群分布情况如图2所示.经检测,5个监测点的粪大肠菌群平均浓度均是雨天明显高于晴天.在0 h,监测点B和C的粪大肠菌群浓度高于同时期监测点A,D和E;降雨活动结束24 h后,5个监测样点的粪大肠菌群浓度都出现了一定程度的降低,监测点B和C的变化最明显.在下一次降雨活动(即第9天)开始前,除监测点C出现粪大肠菌群浓度升高外,其他监测点的粪大肠菌群浓度整体变化较小.监测点C处在泵站排放口下游,可能存在降雨径流直接排入河道的现象.这可能是监测点C的粪大肠菌群浓度突然升高的原因.第二次降雨时,各监测点的粪大肠菌群浓度出现升高,其中监测点B和C的变化最明显.降雨停止后,各监测点再次出现粪大肠菌群浓度降低的现象.可以发现,在整个监测时间段内,降雨会导致监测点粪大肠菌群浓度增加,雨停后则浓度降低.

5个监测点的大肠菌群分布情况如图3所示.监测点A的大肠菌群浓度变化范围在600～2.0×103CFU/mL之间,平均浓度为1.6×103CFU/mL.监测点B和C在采样期间的大肠菌群浓度范围变化非常大,分别为500～1.4×105和800～1.4×105CFU/mL,最高和最低浓度之间相差3个数量级.监测点D的大肠菌群浓度在30～550 CFU/mL之间,平均浓度为119 CFU/mL.监测点E的大肠菌群浓度在70～140 CFU/mL之间,平均浓度为113 CFU/mL.雨天时,监测点A～E的大肠菌群平均浓度分别为2.8×103,1.0×105,9.5×104,247和133 CFU/mL,明显高于采样期的平均浓度.第一次降雨活动结束后,大肠菌群浓度出现降低.雨后24 h,监测点A,B和C的浓度下降到前一天的50%左右;监测点D的浓度下降到前一天的30%左右;监测点E的浓度降低最少.在下一次降雨活动(即第9天)开始前,各监测点的浓度整体变化较小.与晴天相比,第二次降雨时的大肠菌群浓度出现明显增加.雨停后则浓度降低.各监测点之间的大肠菌群浓度变化趋势类似,整体呈现雨后降低,无降雨时维持稳定,雨天增加的趋势.

图2 景观河道的粪大肠菌群分布情况Fig.2 Distributions of fecal coliforms at landscape rivers

图3景观河道的大肠菌群分布情况Fig.3 Distributions of coliforms at landscape rivers

2.2 不同时段河道病原微生物的含量

图4 为不同天气条件下河道内粪大肠菌群的浓度分布.在晴天,监测点B和C的粪大肠菌群浓度无显著差异,都在1×105MPN/100 mL以上,而其上游监测点A的浓度仅为监测点B的25%(即3×104MPN/100 mL).同时期,与河道1无直接关联的监测点D和E的浓度均低于河道1,为1.8×104MPN/100 mL,与河道1监测点的数据相差一个数量级.当发生降雨活动时,监测点B和C的粪大肠菌群浓度大幅增加近2倍;监测点A,D和E的粪大肠菌群浓度虽有一定程度的增加,但增幅相对较小.当河道1的雨水泵站放江时,泵站排放口附近监测点B的粪大肠菌群浓度比雨天时增加近1倍;而监测点C的浓度比雨天时增加2倍多,高达5×105MPN/100 mL.泵站排放口上游监测点A的粪大肠菌群浓度为7.7×104MPN/100 mL,低于监测点B及其下游监测点C.监测点D和E所处河道没有泵站,相同时段,粪大肠菌群浓度没有明显变化.

图5为不同天气条件下河道内大肠菌群的浓度分布.在晴天,监测点A,B和C的大肠菌群浓度无显著差异,都在800～1 000 CFU/mL.同时期,与河道1无直接关联的监测点D和E的浓度均低于河道1,都在100 CFU/mL以下,与河道1监测点数据相差一个数量级.当发生降雨活动时,监测点B和C的大肠菌群浓度大幅增加,监测点B增加60多倍,监测点C增加90倍.监测点A,D和E的大肠菌群浓度虽有一定程度增加,但增幅相对较小.当河道1的雨水泵站放江时,泵站排放口附近监测点B的大肠菌群浓度比雨天时增加近1倍,而监测点C的浓度比雨天时增加1倍多,高达1.4×106CFU/mL.泵站排放口上游监测点A的大肠菌群浓度达到8.5×103CFU/mL,低于监测点B及其下游监测点C.监测点D和E所处河道没有泵站,相同时段,大肠菌群浓度没有明显变化.

图4 不同天气条件下景观河道的粪大肠菌群浓度分布Fig.4 Fecal coliforms at each sampling site under diあerent weather

图5 不同天气条件下景观河道的大肠菌群浓度分布Fig.5 Coliforms at each sampling site under diあerent weather

3 讨论与分析

3.1 病原微生物分布

环境水体中微生物的分布情况与各个监测点所处的周边环境和水质状况等因素密切相关.本研究结果表明,3条河道均受到粪大肠菌群污染,但受污染程度不同,其中河道1晴天粪大肠菌群平均浓度为1.31×105MPN/100 mL,雨天为2.49×105MPN/100 mL,而河道2和河道3晴天与雨天粪大肠菌群平均浓度均保持在104MPN/100 mL,说明河道1污染最严重.河道1沿岸存在雨水泵站,雨水经泵站集中强排至河道,故降雨后河道污染物浓度大幅增加,微生物大量滋生,水体污染严重[17].河道3为公园水体.公园水体通常面积小,多为半封闭型或封闭型的静态水体,与外界大面域水体连通较少,受污水排放影响也较小.河道2沿岸无雨水泵站,径流排放方式相对缓和,降雨后河道2的污染物浓度增幅较小,粪大肠菌群浓度介于河道1和河道3之间.

非雨天,河道1的粪大肠菌群可达2.2×105MPN/100 mL,在数量上与渭河及其支流[18],以及珠江水系广州河段[19]类似,明显高于湖泊和四大海域[20-22].河道2和河道3在雨天的粪大肠菌群为6.2×104和2.3×104MPN/100 mL,与长江水系宜宾段[23]类似.根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定,粪大肠菌群评价的V类标准限是小于等于4×104个/L为合格.因此在夏季采样期间,5个采监测点的粪大肠菌群浓度均超过4×104个/L,水质超标率为100%.

根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006),每1 L水中的大肠菌群不超过3个,而《地表水环境质量标准》(GB 3838—2202)仅规定了粪大肠菌群浓度限值.河道2和河道3在非雨天的大肠菌群数量较低,分别为29和98 CFU/mL,雨天时为550 CFU/mL,雨后降低,基本上可满足直接接触娱乐用水水质需求.而河道1的大肠菌群在非雨天时平均为3.6×103CFU/mL,雨天时最高可达到1.4×105CFU/mL,大大超过了景观娱乐用水的水质需求.

大肠菌群和粪大肠菌群的高低与粪便污染的程度有关.在监测点中均检出大肠菌群和粪大肠菌群,说明水体受到粪便污染.粪便中除一些正常细菌外也可能同时存在某些肠道致病菌.因此,当水体受到大肠菌群和粪大肠菌群污染时就存在被肠道致病菌污染的可能性,对人类的健康产生一定的潜在威胁.

3.2 病原微生物污染源分析

研究结果表明,降雨会使监测点的粪大肠菌群和大肠菌群浓度增加,但降雨并不是这两种病原微生物的唯一来源.城市地表径流[24]、雨水泵站、生活污水排放等都是病原微生物污染的主要来源.江磊等[2]发现海口某浴场某日粪大肠菌群检出量与当日降雨量存在明显的正相关关系.河道1的粪大肠菌群浓度在泵站放江时也增加明显,达到5×105MPN/100 mL,与长江水系重庆市城区排污口浓度相似[25].而无雨水泵站的河道2和河道3较雨天无明显增加,这说明对河道1,粪大肠菌群污染的主要来源是城市降雨和泵站放江.河道2和3在雨天的粪大肠菌群浓度较晴天有所增加,说明城市降雨是此河道粪大肠菌群污染的主要来源.降雨是地表水体病原微生物的重要来源.除雨水中含有病原微生物外,在雨水的淋洗和冲刷作用下,城市大气中和地表上累积的污染物伴随着径流,经由排水系统参与收集、输送和处理,通过多种汇集、迁移和排放方式最终进入水体,造成水体污染,导致水体中病原微生物浓度的升高.大肠菌群也有相似特征,但变化比粪大肠菌群更明显.降雨使各监测点浓度较晴天时增加,泵站放江使河道1的大肠菌群浓度增加明显,而无雨水泵站的河道2和河道3的浓度较雨天无明显增加.这说明对河道1而言,大肠菌群污染的主要来源包括城市降雨和泵站放江.河道2和3在雨天的大肠菌群浓度较晴天有所增加,说明城市降雨是此河段大肠菌群污染的主要来源.