山东某农村间歇式供水系统微生物健康风险评价

张晓晓，李峥，吕实波，姚伟，李洪兴

1.中国疾病预防控制中心农村改水技术指导中心 a.农村饮水监测室 b.爱国卫生技术室，北京 102200

2.中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，北京 100021

3.山东省疾病预防控制中心卫生检验检测所 ，山东 济南 250014

间歇式供水又称定时供水，是指不满足一周7 d ×24 h 连续向用户送水的供水服务系统［1］。间歇式供水的原因主要有水资源限制、供水单位控制成本、用户规模不足等，在发展中国家较为常见［2］。研究显示，间歇式供水系统在供水间歇期管道呈低压或负压，恢复供水瞬间管道突然增压使管壁生物膜冲刷脱落，环境中污染物入侵和回流也均可导致水质恶化，增加供水系统中微生物含量，产生健康风险［3-4］。Kumpel等［3］研究表明，间歇式供水与传染性肝炎和腹泻疾病（如阿米巴病、伤寒和霍乱）有关。间歇式供水在我国农村地区较为常见，但现有的研究多集中于间歇式供水的家庭适应性行为及间歇式供水时间限制对家庭用水活动的影响［2，5］。因此，有必要对间歇式供水的微生物污染状况及其带来的微生物健康风险进行定量评估。本研究采用微生物定量风险评价方法，对山东省某农村间歇式供水系统的微生物进行测定，并与连续供水系统进行比较，旨在初步了解该地区间歇式供水系统微生物污染现状，定量评估间歇式供水所增加的用户饮水微生物健康风险，为农村间歇式供水系统的卫生管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 现场选择

在山东省淄博市某农村地区选取一个典型的间歇式供水系统作为研究对象，选择水源类型和水处理工艺相似的连续供水系统作为对照。调查水厂基本情况，包括水厂覆盖人口情况、水厂运营情况、水源类型、水处理工艺、水消毒情况等。

1.2 水样采集、检测及评价

采集两个供水系统水样，检测总大肠菌群、菌落总数指标。每个供水系统设置出厂水采样点1 个，采集1 份水样；家庭储水容器采样点10 个，每个采样点采集1份水样（仅间歇式供水系统）；每个供水系统末梢水采样点20个，均匀分布在两个供水系统管网从近端到远端的各个位点。考虑到两种供水系统的水质变化特点，对于间歇式供水，在每个末梢水采样点采集水样3份，分别于恢复供水瞬间（水质变化大）、恢复供水5 min后（水质不稳定）和恢复供水30 min 后（水质稳定）采集。对于连续供水，在每个末梢水采样点采集水样2份，分别采集打开水龙头瞬间的水头水（水质可能不稳定）和放水5 min 后的水（水质稳定）。

水样的采集与检测方法参照GB/T 5750—2006《生活饮用水标准检验方法》。样品的检测由当地经过计量认证的疾病预防控制中心实验室完成。参照GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中微生物指标限值对水样水质进行评价：100 mL饮用水中不得检出总大肠菌群，饮用水中菌落总数限值为100 CFU·mL-1，微生物含量超过限值即判定该水样不合格。

1.3 微生物定量风险评价方法

1.3.1 风险评估选择总大肠菌群为致病微生物的指示菌，以暴露人群中个体感染致病微生物为最终健康效应，以暴露个体长期接触致病微生物的年感染风险概率值表征健康效应的大小，运用微生物定量风险评价方法［6］确定暴露个体致病微生物摄入量与健康效应之间的数量关系。研究表明，总大肠菌群暴露剂量与感染风险的剂量-反应关系适用β-泊松分布模型［7-8］，见公式（1）：

其中：Pd为日感染风险概率，指暴露个体在1 d内摄入被致病微生物污染的饮用水后机体感染致病微生物的风险概率；α、β为模型中宿主-微生物相互作用的特征参数，由人体试验得到参数值，α=0.170 5，β=1.6×106［9］；d（CFU·d-1）为日暴露剂量，指暴露个体1 d 经摄入途径暴露的致病微生物的平均剂量，由水样中微生物总数（CFU·mL-1）与暴露人群人均日饮水量（mL·d-1）相乘所得。根据2013年发布的《中国人群暴露参数手册（成人卷）》，考虑到地理分布和季节影响，本研究人均日饮水摄入量取P5～P95，为（575～4 600）mL·d-1［10］。

暴露人群中个体由于长期接触致病微生物后机体被致病微生物感染的年风险概率见公式（2）：

式中：Py为年感染风险概率，指暴露人群长期摄入（≥1年）被致病微生物污染的饮用水后个体感染致病微生物的年风险概率。

1.3.2 不确定性分析由单次或有限次数采集水样检测的微生物含量来估计实际水体中微生物浓度会有一定偏差性，不能准确反映暴露人群致病微生物的实际日暴露剂量，最终导致暴露人群的致病微生物年感染风险概率产生不确定性。为降低由样本估计总体而导致的不确定性，本研究采用蒙特卡罗模拟法，通过10 000 次抽样模拟，得到两个供水系统的年感染风险的概率密度分布。

1.4 统计学分析

采用EpiData 3.1 软件建立数据库，数据双录入并进行一致性检验。使用SPSS 17.0 软件进行统计分析，使用水晶球软件进行蒙特卡罗模拟。计算水样中微生物指标的超标率；用水样中微生物含量测量值的对数转换值进行组间差异性比较，符合正态分布的数据用±s描述，符合正态分布且方差齐的计量资料比较采用t检验法或方差分析；呈偏态分布的数据用M（P25，P75）描述，计量资料比较采用Wilcoxon 符号秩和检验法或Kruskal-Wallis 检验法；计数资料比较采用卡方检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 供水系统基本情况

间歇式供水水厂和连续供水水厂均采用单村供水模式，即一个水厂采用一种供水系统，负责一个村庄所有村民的生活用水。间歇式供水水厂以地下水为水源，每日仅供水1 次；连续供水水厂也以地下水为水源，每日不间断供水。两家水厂的水源类型、水处理工艺、水消毒情况相同，覆盖人口数及村庄总户数等基线情况基本平衡，具有可比性，见表1。

表 1 间歇式供水水厂和连续供水水厂的供水基本情况Table 1 Basic information of an intermittent water supply water plant and a continuous water supply water plant

2.2 水质检测结果

2.2.1 出厂水水样共采集出厂水水样2份，每个供水系统各1 份。间歇式供水系统和连续供水系统出厂水水样中总大肠菌群均未检出；间歇式供水系统出厂水水样中菌落总数检测值为26 CFU·mL-1，连续供水系统为6 CFU·mL-1，两份水样均合格。

2.2.2 末梢水水样共采集末梢水水样100 份，其中间歇式供水系统60 份，连续供水系统40 份。间歇式供水系统末梢水水样中菌落总数超标率为48.3%（29/60），总大肠菌群超标率为23.3%（14/60）；连续供水系统末梢水水样中两种微生物指标的超标率分别为40.0%（16/40） 和20.0%（8/40），两种类型供水系统末梢水水样中的两种微生物指标超标率差异无统计学意义（P＞0.05）。

间歇式供水系统末梢水恢复供水瞬间、恢复供水5 min 后和恢复供水30 min 后采集的水样中总大肠菌群数量的差异有统计学意义（P＜0.05），其中恢复供水瞬间采集的水样中总大肠菌群含量高于恢复供水30 min 后采集的水样（P＜0.05）。间歇式供水系统末梢水恢复供水瞬间、恢复供水5 min 后和恢复供水30 min 后采集的水样中菌落总数的差异无统计学意义（P＞0.05）。连续供水系统末梢水打开水龙头瞬间水样和放水5 min 后水样中总大肠菌群和菌落总数均无统计学差异（P＞0.05）。见表2。

表 2 间歇式供水系统和连续供水系统末梢水水质微生物指标检测值（对数值）Table 2 Microorganism results of tap water samples from an intermittent water supply system and a continuous water supply system (lg)

间歇式供水系统末梢水恢复供水瞬间采集的水样中总大肠菌群含量高于连续供水系统末梢水打开水龙头瞬间水样（P＜0.05）；间歇式供水系统末梢水恢复供水30 min后采集的水样中菌落总数含量高于连续供水系统末梢水放水5 min 后水样（P＜0.05）。

2.2.3 家庭储水容器水样共采集间歇式供水系统家庭储水容器水样10 份，储水水样中菌落总数和总大肠菌群超标率分别为80.0%（8/10）和50.0%（5/10），与间歇式供水末梢水和连续供水末梢水中两种微生物超标率相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。储水水样中菌落总数含量为2 500（2 100，6 300）CFU·mL-1［对数分布为（3.20±0.90）lg CFU·mL-1］，总大肠菌群为2.5（0，33.0）CFU·100 mL-1［对数分布为1.52（1.11，1.52）lg CFU·100 mL-1］。储水水样中菌落总数高于间歇式供水系统末梢水水样和连续供水系统末梢水水样（P＜0.05）；储水水样中总大肠菌群含量高于间歇式供水末梢水恢复供水30 min 后水样（P＜0.05）；储水水样中总大肠菌群含量与连续供水末梢水水样相比差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.3 微生物定量风险评价

2.3.1 风险范围经公式（1）和公式（2）计算，求得间歇式供水系统覆盖人群直接饮用自来水导致个体感染致病微生物的年风险概率的M（P5～P95）为0（0～9 416.65×10-4），连续供水系统为0（0～3 000.96×10-4），差异具有统计学意义（P＜0.05）。

2.3.2 不确定性如图1所示，间歇式供水系统覆盖人群中个体感染致病微生物的年风险概率的M（P5～P95）为47.67×10-4（0～1 392.46×10-4），连续供水系统为4.85×10-4（0～182.37×10-4），差异具有统计学意义（P＜0.05）。

图1 间歇式供水系统和连续供水系统暴露个体致病微生物年感染风险概率密度分布Figure 1 The probability distribution of annual infection risk of individuals exposed to pathogenic microorganisms in intermittent and continuous water supply systems

3 讨论

供水系统是以提供连续供水为设计目标，供水后常由于水资源缺乏、供水网络扩大、技术及资金不足等原因转变为间歇式供水［3］。采取间歇供水可以降低水厂管理和运行成本、减少水资源消耗等，但牺牲了供水服务对象的方便程度，并且带来水质安全隐患。该研究中两供水系统出厂水菌落总数、总大肠菌群均合格，但在不同供水方式下，管网末梢水水质存在较大差异。较连续供水系统，本研究间歇式供水恢复供水初期的末梢水中微生物指标较高，可能原因如下：间歇式供水管网在供水阶段处于正压状态，在供水间歇期处于低压或负压状态，微生物易通过管道缝隙入侵管网，停止供水后，微生物易在潮湿的管道内壁繁殖，恢复供水后，管网内微生物会随水流到达用户终端；此外，供水管网压力变化频繁，导致管道内水流不断冲刷内壁，将管道内杂质冲入水流，随管网到达用户终端。Kumpel等［3］研究也表明间歇式供水会给用户带来额外的微生物暴露风险。随着间歇式供水恢复供水时间的延长，管网内水流和水质逐渐趋于稳定，微生物含量低于恢复供水初期水样。对于连续供水系统，本研究结果表明管网中微生物含量较为稳定。

间歇式供水用户为保证各个时段的用水需求，往往采用一些容器进行家庭储水。本研究家庭储水水样中菌落总数超标率高达80.0%，水样中菌落总数高于末梢水水样。家庭储水环境差、储水容器无盖、储水容器材质问题、储水时间过长以及不及时清洗储水容器等均可能导致储水水样中菌落总数增加。储水水样中总大肠菌群含量高于间歇式供水末梢水恢复供水30 min 后水样，说明间歇式供水状态下，居民的储水行为增加了供水系统覆盖人群的饮水微生物暴露水平。Ercumen 等［11］研究发现，间歇式供水家庭出血性腹泻患病率比连续供水家庭高37%，报告的伤寒病例也增加了42%。由此可见，间歇式供水系统中由于家庭储水增加的饮水致病微生物暴露风险同样不可忽视。

微生物定量风险评价结果显示，该地间歇式供水覆盖人群长期直接饮用自来水致个体感染致病微生物的年风险概率（中位数为47.67×10-4）高于连续供水系统的年感染风险概率（中位数为4.85×10-4），表明研究中的间歇式供水系统增加了覆盖人群致病微生物的感染风险，且增加的健康风险在一定比例上高于美国环保署提出的饮用水微生物年感染风险可接受水平低于10-4这一评判标准［12］。建议：（1）农村集中式供水应尽量提供连续供水，满足居民的日常供水需要；（2）如确有需求必须采用间歇供水，也要合理设置供水时间，同时加强水质检测和供水管网的维护；（3）结合当地水质情况，选择合适的消毒方式，降低水质微生物的污染；（4）加强居民的健康教育，引导居民在恢复供水后，适当放水后再取用，不以储存水为饮水水源，自来水最好煮沸后再饮用。

本研究存在一定局限性：（1）以总大肠菌群含量表征致病微生物含量在一定程度上放大了致病微生物的感染风险，但对于初步了解饮水微生物污染现况及定量评估间歇式供水增加的微生物健康风险还是有一定意义的。有研究采用总大肠菌群作为致病微生物指示菌进行微生物健康风险评价［8］，且饮用水中总大肠菌群浓度与致病微生物存在一定相关性，如WHO 发表的相关图书中提及，当饮用水中总大肠菌群总数超过10 000 CFU/100 mL时可能出现副伤寒［12］；此外，总大肠菌群为饮用水常规水质监测指标，相应的国标检测方法简单快速。（2）由于我国饮用开水的人群比例较大，且饮水来源多样，本研究仅考虑以自来水为饮水水源且以人均日饮水量进行风险评价，在一定程度上高估了饮水微生物的感染风险。（3）本研究的结果为正常成年人的健康风险结果，非人群健康风险结果，故未能考虑人群中不同性别、年龄对结果的影响。综上所述，本研究结果显示间歇式供水增加了饮用水水质微生物污染风险，增加了人群饮用水微生物暴露与感染风险。