环境因素对饮用水中微生物存活影响机理分析

摘 要：环境因素对饮用水中微生物的存活具有显著影响，其中温度、pH值、溶解氧和盐度等是关键影响因素。温度通过改变微生物的代谢速率和酶活性来影响其存活；pH值的变化会影响微生物细胞膜的电荷和酶的活性；溶解氧水平直接关系到需氧微生物的生长和代谢；盐度则通过调节微生物的渗透压和酶活性来影响其存活。深入分析这些环境因素对微生物存活的影响机理，对于控制水体污染和维护公共卫生具有重要意义。

关键词：环境因素；微生物；温度；pH值；溶解氧；盐度

Analysis of the Mechanism of Environmental Factors on Microbial Survival in Drinking Water

WANG Dan， LIU Xiaoli， ZHAO Qian

（Zibo Center for Disease Control and Prevention， Zibo 255000， China）

Abstract： Environmental factors have a significant impact on the survival of microorganisms in drinking water， among which temperature， pH value， dissolved oxygen， and salinity are key influencing factors. Temperature affects the survival of microorganisms by altering their metabolic rate and enzyme activity; changes in pH value can affect the charge of microbial cell membranes and enzyme activity; the level of dissolved oxygen is directly related to the growth and metabolism of aerobic microorganisms; salinity affects the survival of microorganisms by regulating their osmotic pressure and enzyme activity. Thoroughly analyzing the impact mechanism of these environmental factors on microbial survival is of great significance for controlling water pollution and maintaining public health.

Keywords： environmental factors; microorganisms; temperature; pH value; dissolved oxygen; salinity

水是生命之源，但也可能成为微生物的载体，对人类健康构成威胁。水中微生物的存活受多种环境因素影响，包括温度、pH值、溶解氧和盐度等。研究这些环境因素如何影响微生物存活，对于预防和控制水体污染、保障饮用水安全以及维护公共卫生具有重要意义。

1 环境因素概述

1.1 常见的环境因素分类

环境因素是影响生态系统及其组成部分的重要变量，可以根据其性质和作用进行分类。①自然环境因素包括气候、地形、水文和土壤等，这些因素直接影响水资源的质量和可用性。例如，降水量和温度等气候条件对水体的水质、流量和水源的可持续性有直接影响[1]。地下水位和水流的季节性变化等水文条件，也会决定水资源的补给和分布，进而影响饮用水的供应和质量。②人为环境因素主要是指人类活动所引起的变化，包括工业污染、农业施肥、城市化进程以及土地利用变化等。这些因素往往会对水资源造成显著影响，特别是在饮用水水源地。污染物如农药、重金属、生活污水等可能渗入水体，导致水质恶化，影响居民健康。例如，工业排放的有害物质可能污染地下水或地表水，而农业过度施肥则可能导致水体富营养化，增加水中的氮、磷含量，进而影响水质和水体生态平衡。

1.2 各环境因素在不同水体中的特征表现

环境因素在各种水体中表现出不同的特征，对水体的质量和饮用水安全性产生影响[2]。例如，在淡水湖泊中，水温、溶解氧和营养盐浓度是主要影响因素。水温直接影响水中有害物质的溶解度和微生物活性，进而影响水质。溶解氧是维持水生生物存活的基础，低氧环境可能导致水中有害物质的积累，从而影响饮用水质量。营养盐浓度，尤其是氮和磷的含量，会影响水体富营养化，过量的营养盐可能导致藻类大量繁殖，形成蓝藻水华，进而影响水质并产生有毒物质，威胁饮用水安全。相比之下，在河流中，流速和水流的动力学特征对水质的影响更为明显。流速较快的河流有助于水体自我净化，稀释和带走污染物，因此其水质通常较为清洁。

2 环境因素对饮用水中微生物存活的影响机理

2.1 温度对微生物存活的影响

2.1.1 不同温度区间下微生物的存活特征差异

温度对水中微生物的存活和繁殖具有重要影响，尤其在饮用水水质管理中，温度变化直接影响水源水的安全性。研究表明，微生物在不同的温度区间的存活表现出显著差异。在温暖的环境下，微生物的繁殖速度较快。例如，在20～30 ℃的温度条件下，许多细菌、病毒及其他致病性微生物的生长速度明显加快，代谢活动更加活跃，营养物质的利用效率较高，从而增加了饮用水中微生物的数量，提升了水源污染的风险。然而，当温度超过某一阈值（如40 ℃），许多微生物的存活能力开始下降，尤其是不耐高温的细菌，通常会出现死亡率迅速增加的情况。低温环境对微生物的存活也具有抑制作用。在0～10 ℃的低温条件下，大多数微生物的代谢活动明显减缓，甚至生长几乎停滞，尽管部分微生物能够在低温环境中存活，但其致病性通常会减弱。

2.1.2 温度影响微生物存活的生理生化机制探讨

温度对微生物在饮用水中的存活影响涉及多种生理和生化机制。①温度变化直接影响微生物细胞膜的流动性。适宜的温度有助于细胞膜保持正常的流动性，促进营养物质摄取和代谢产物排出。过高或过低的温度会改变细胞膜的物理性质，导致膜完整性受损，进而影响微生物在水中的生存能力。例如，低温可能减弱膜流动性，而高温可能破坏膜结构，导致微生物死亡，从而保障饮用水水质安全。②温度变化会影响酶的活性，酶作为生物催化剂，对温度非常敏感[3]。在较高温度下，某些酶的活性可能增强，有利于微生物代谢和生长，但过高的温度则会导致酶变性，失去催化功能，影响微生物的正常生理活动。低温环境下，酶活性降低，生化反应速率减缓，导致微生物的生长和繁殖受阻。这些变化可能直接影响饮用水中微生物数量和致病性。③温度对细胞内代谢途径的调控也起着关键作用，特别是在能量代谢和合成代谢中。在适宜温度条件下，微生物能够有效地合成RNA、蛋白质等重要的生物分子，从而维持其生长和繁殖。

2.2 pH值对微生物存活的影响

2.2.1 不同pH值环境下微生物的适应性表现

pH值是影响饮用水中微生物存活的重要环境因素之一。不同的微生物对pH值的适应能力差异显著。在酸性环境中，当pH值低于6时，大肠杆菌和沙门氏菌等通常表现出较高的敏感性，生长受到抑制，繁殖速率显著降低。相反，一些耐酸性细菌，如乳酸菌和某些链球菌，能够在低pH值环境中存活并繁殖，表现出较强的适应性。碱性环境对大多数微生物的影响同样显著[4]。当pH值高于9时，许多微生物的细胞膜可能受到损害，代谢活动被抑制。虽然一些细菌能够在碱性条件下生存，但绝大多数在接近中性的pH值（如6.5～7.5）时生长最为旺盛。在饮用水中，pH值的变化直接影响微生物的种群组成与生态功能。因此，了解不同pH值环境下微生物的适应性表现，对于评估饮用水安全性和制订水质管理策略至关重要。此外，pH值的变化还会影响微生物的代谢活动和致病性。例如，在适宜的中性pH值条件下，微生物的酶活性和营养物质吸收能力达到最佳状态，促进其生长与繁殖。

2.2.2 pH值影响微生物存活的化学机制剖析

pH值通过多种化学机制影响饮用水中微生物的存活能力。①pH值变化直接影响细胞内外的离子浓度和电荷分布，进而影响细胞膜的通透性和稳定性。在酸性环境中，质子浓度增加可能导致微生物细胞膜的物理性质发生变化，使其变得更加脆弱[5]。这种变化会影响微生物对营养物质的吸收和代谢废物的排除，从而降低其生存能力。在碱性环境下，细胞膜也可能发生变化，影响微生物的存活。②pH值还会影响微生物的代谢途径。例如，在酸性条件下，某些酶的活性可能受到抑制，导致生化反应速率减慢，影响能量的产生和细胞的生长。同时，酶的构象和活性中心的电离状态可能因pH值变化而改变，从而影响微生物的正常代谢。对于饮用水中的微生物，酶活性下降直接影响其生长速率和致病能力。此外，pH值对微生物的蛋白质合成和DNA的稳定性也有重要影响。极端的酸性或碱性环境可能导致蛋白质的变性和遗传物质的损伤，这不仅削弱了微生物的生存能力，还可能导致其重要生物功能的丧失。

2.3 溶解氧与微生物的存活

2.3.1 不同需氧类型微生物对溶解氧的响应差异

微生物根据其对氧气的需求可分为好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。①好氧菌需要溶解氧进行生长和代谢，通常在氧气充足的环境中生存良好。在饮用水中，这些微生物通过有氧呼吸将有机物转化为二氧化碳和水，同时释放能量。这类微生物的生存与水中溶解氧的浓度密切相关，低氧环境往往会导致其生长减缓甚至死亡。因此，饮用水中溶解氧的变化直接影响好氧微生物的存活和繁殖。②厌氧菌能在无氧环境中繁殖，依赖发酵或厌氧呼吸获取能量。这类微生物对低氧或无氧环境具有较强的适应性，能够在缺氧的地下水或饮用水沉积物中存活。在某些水源污染事件中，尤其是在缺氧环境，厌氧菌可能会对水质造成影响，甚至威胁人体健康。③兼性厌氧菌则具有灵活的适应能力，能够在有氧或缺氧的环境中生存。当饮用水中的溶解氧充足时，它们倾向于进行有氧呼吸；而在氧气不足的情况下，它们会转向厌氧代谢。

2.3.2 溶解氧参与的生物化学过程对微生物的影响

溶解氧在饮用水中不仅是微生物呼吸的原料，还参与多种生物化学反应，对微生物的生存和代谢产生深远影响。在有氧环境下，溶解氧作为电子受体，促进有氧呼吸过程，帮助微生物高效利用水中的营养物质，生成能量，增强繁殖能力，使其在水源中具有更强的竞争优势。然而，过量的氧气也可能通过产生活性氧对细胞造成损伤，导致氧化应激，影响细胞的生理功能和生存。当饮用水中溶解氧浓度过高时，可能会导致水中的微生物遭遇氧化压力，从而降低其生存能力。同时，溶解氧的变化会影响饮用水中的营养循环。溶解氧不足会导致水体出现厌氧条件，改变微生物群落结构。在缺氧或厌氧环境中，某些微生物能够利用硝酸盐或硫酸盐等替代电子受体维持代谢功能。这种代谢方式的转变不仅影响微生物的生长速率，还可能导致有毒代谢产物的生成，进一步影响水质和饮用水的安全性。过量的厌氧代谢产物，尤其是有害气体或有毒物质，可能对饮用水的生态环境和人体健康构成威胁。

2.4 盐度对微生物的存活

2.4.1 不同盐度环境下微生物的分布与存活特点

微生物在不同盐度的饮用水环境中表现出明显的分布差异和不同的存活特征。淡水环境通常盐度较低，适合大多微生物繁殖，尤其是在饮用水中，这些微生物在低盐条件下能够快速增殖并维持较高的生存率。然而，随着盐度的增加，许多典型的淡水微生物的生存能力会受到抑制，尤其是一些对盐分敏感的致病菌，在高盐环境中生长受限。在高盐度的饮用水环境中，特别是海水或含盐量较高的水源，某些耐盐微生物能够生长。例如，某些嗜盐菌和具有盐耐受性的细菌可以在盐度较高的条件下生存并繁殖，这些微生物能够有效地利用高盐环境中的资源。因此，尽管盐度的增加通常会抑制大部分淡水微生物的繁殖，但某些耐盐微生物，如副溶血性弧菌和一些盐藻，仍然能够在盐度较高的环境中生存，并可能对饮用水安全构成威胁。

2.4.2 盐度影响微生物存活的生理机制分析

盐度对微生物的存活机制主要涉及细胞内外渗透压平衡的调节。在高盐环境中，微生物细胞面临渗透压挑战，需要通过合成渗透调节物质，如甘油、氨基酸等，以保持细胞水分和正常代谢活动，维持生理功能。在饮用水中，盐度增加可能会使某些微生物调整生理状态，增强其在不利环境中的生存能力。此外，盐度的变化还会影响微生物的代谢途径和生长速度。例如，在较高盐度的饮用水中，某些微生物可能会转向厌氧代谢或发酵以适应环境变化，从而影响其生长速度和致病性。高盐度也可能对微生物细胞膜的完整性和功能产生影响，导致细胞内外物质交换障碍，影响水层中的微生物群落结构。而某些微生物可以通过调整细胞膜的脂质组成来适应高盐环境，从而增强膜的流动性和稳定性。这一机制使得它们在高盐条件下仍能维持正常功能，甚至在饮用水中存活更长时间。此外，高盐度还可能通过诱导应激反应和激活特定的基因表达，帮助微生物抵御盐胁迫。

2.5 其他环境因素对微生物的影响

2.5.1 光照对微生物存活的影响

光照是影响饮用水中微生物存活的重要环境因素之一。紫外线辐射能有效杀死多种微生物，尤其是通过破坏其DNA结构，导致基因突变或细胞死亡。对于水源污染物，如大肠杆菌和副溶血性弧菌等微生物，紫外线的强度和照射时间直接影响其存活率。因此，紫外线作为一种有效的杀菌手段被广泛应用于饮用水消毒过程中。然而，并非所有微生物对光照的敏感度都相同。某些微生物在光照下可能表现出更强的适应能力，甚至可以通过合成光合色素等机制抵御紫外线伤害，增加其在饮用水中的生存能力。此外，水体的浑浊度、悬浮物质以及其他光吸收物质的存在都会影响紫外线的穿透深度，进而改变微生物的暴露程度。在饮用水处理中，若水质清澈，紫外线能够有效穿透，减少微生物的存活时间；若水质浑浊，紫外线的穿透能力受限，可能导致微生物在水中的存活时间延长。因此，在浅水区或光照较强的环境中，微生物的生存时间通常较短，而在深水区或阴暗的环境中，微生物可能会获得更长的生存时间。

2.5.2 饮用水中化学物质对微生物存活的影响

饮用水中化学物质的种类和浓度对微生物的存活和繁殖影响显著。氯化物、重金属、营养盐以及有机污染物等都可能对微生物产生不同程度的毒性。例如，氯通常被广泛用于饮用水消毒中，能够有效地灭活多种致病菌，但其浓度过高时可能会对水生生态系统造成负面影响。此外，尽管氯处理可以明显降低饮用水中的微生物数量，但也可能选择性地促进一些耐氯微生物的生存，导致水中某些耐氯微生物的繁殖。重金属如汞、铅等在饮用水中的存在不仅会直接抑制微生物的代谢活动，还可能通过干扰其基因表达和细胞膜功能，导致细胞死亡。然而，在饮用水质量监控中，重金属污染是一个重要的关注点，主要原因在于这些物质对微生物的毒性作用会直接影响水质安全。

3 结语

环境因素对饮用水中微生物的存活具有重要影响。温度、pH值、溶解氧和盐度等环境因素通过多种机制影响微生物的生长、代谢和存活。了解这些影响机制对于制订有效的饮用水安全管理措施和疾病预防策略至关重要。未来，应进一步深入研究环境因素与微生物之间的相互作用，以优化水质管理并提高公共卫生水平。

参考文献

[1]段伦超，王风贺，纪营雪，等.不同环境因素下太湖中四环素的自然消减[J].环境科学，2014，35（4）：1318-1325.

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[4]俞江山.环境水中总铁含量测定结果影响因素研究[J].长江大学学报（自然科学版）理工卷，2008（2）：32-34.

[5]江铁英.测定环境水中U的还原反应影响因素及控制[J].云南环境科学，1993（2）：54-56.