1、食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.19.022基金项目:国家自然科学基金项目(52070193);北京市自然科学基金资助项目(8192053)作者简介:崔若琪(1999),女(汉),硕士研究生,研究方向:环境微生物学。*通信作者:张灿(1975),女(汉),研究员,博士,研究方向:饮用水水质安全、水处理技术;张明露(1982),女(汉),教授,博士,研究方向:环境微生物、饮用水消毒和安全保障。不同类型饮用水污染情况及微生物群落结构特征分析崔若琪1,白淼1,2,张玲悦3,江海溶1,张灿2*,张传福2,
2、张明露1*(1.北京工商大学 生态环境学院,北京 100048;2.中国人民解放军疾病预防控制中心,北京 100071;3.北京铁路疾病预防医学研究中心,北京 100020)摘要:为了解不同类型饮用水(城市城区管网末梢水、楼宇水箱水和城市郊区自备井水)的微生物污染情况以及微生物群落结构的差异。对不同水样的 pH 值、浊度、总大肠菌群等常规水质指标进行分析,通过高通量测序技术对微生物群落结构进行解析。结果表明,3 种类型饮用水中,自备井水中检测出菌落总数且超过饮用水卫生标准限值,同时还检测出总大肠菌群和大肠埃希氏菌,管网末梢水中检测出 Cu2+超标。自备井水的微生物群落多样性最高,楼宇水箱水的微
3、生物群落多样性最低。不同类型饮用水的细菌群落结构存在差异。3 种类型饮用水的优势菌门均为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidota)和放线菌门(Actinobacteria)。在属水平上,嗜盐单胞菌属(Halomonas)、远洋杆菌属(Pelagibacterium)和涅斯捷连科氏菌属(Nesterenkonia)的平均相对丰度均在楼宇水箱水中最高,其次为管网末梢水。大肠埃希氏-志贺菌属(Escherichia-Shigella)在自备井水中检出率最高。通过微生物代谢功能分析可知,3 种类型饮用水中均发现少量与人类疾病相关的代
4、谢途径。与管网末梢水、楼宇水箱水相比,自备井水的水质和微生物群落存在一定差异,表明自备井水更易受到外界环境以及人类活动等因素的影响。关键词:饮用水;水质;微生物;群落结构;优势菌群Analysis of Different Types of Drinking Water Pollution and MicrobialCommunity Structure CharacteristicsCUI Ruoqi1,BAI Miao1,2,ZHANG Lingyue3,JIANG Hairong1,ZHANG Can2*,ZHANG Chuanfu2,ZHANG Minglu1*(1.School of
5、 Ecology and Environment,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China;2.Center for Disease Control and Prevention of Chinese PLA,Beijing 100071,China;3.Beijing RailwayDisease Prevention Medical Research Center,Beijing 100020,China)粤遭泽贼则葬糟贼:To understand the microbial pollution and
6、 differences in microbial community structures of differenttypes of drinking water,including pipe network tap water and building tank water in urban areas and self-provided well water in suburban areas,different water samples were analyzed for pH,turbidity,total coliforms,and other conventional wate
7、r quality indicators,and the microbial community structure was resolved by high-throughput sequencing technology.The results showed that among the three types of drinking water,the totalnumber of colonies detected in the self-provided well water exceeded the national limit of drinking water hygienes
8、tandards,and total coliforms and Escherichiacoli were detected.In addition,Cu2+in the pipe network tap watersamples exceeded the national limit.The microbial community diversity of the self-provided well water sampleswas the highest,and that of the building tank water was the lowest.The bacterial co
9、mmunity structure of differenttypes of drinking water was different.The dominant bacteria for all three types of drinking water includedProteobacteria,Firmicutes,Bacteroidetes,and Actinobacteria.At the genus level,the average relativeabundance of Halomonas,Pelagibacterium,and Nesterenkonia was the h
10、ighest in the building tank water,followed by the pipe network tap water.Escherichia-Shigella had the highest detection rate in the self-provided检测分析152食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期well water.Through the microbial metabolic function analysis,three types of drinking water samples were foundwitha sma
11、ll numberof metabolic pathways associatedwithhuman diseases.Compared with pipe network tap waterand building tank water,there were some differences in the water quality and microbial community of self-pro原vided well water,indicating that self-provided well water was more susceptible to external envi
12、ronments and hu原man activities.运藻赠 憎燥则凿泽:drinking water;water quality;microorganisms;community structure;dominant bacteria引文格式:崔若琪,白淼,张玲悦,等.不同类型饮用水污染情况及微生物群落结构特征分析J.食品研究与开发,2023,44(19):152-158.CUI Ruoqi,BAI Miao,ZHANG Lingyue,et al.Analysis of Different Types of Drinking Water Pollution and Microbia
13、l CommunityStructure CharacteristicsJ.Food Research and Development,2023,44(19):152-158.饮用水水质与人类健康密切相关。目前城市居民的饮水大多来自市政供水,少数郊区居民仍采用自备井水。市政供水水质除了受到出厂水的影响,管网输水及水箱储存过程也会产生污染;自备井水则会受到当地地质、人为污染等因素影响1。随着城镇化的发展以及居民对饮用水品质需求的与日俱增,微生物污染成为十分重要的饮水安全问题。致病微生物在水中长期存在并大量繁殖,其致病毒力因子可以在水中扩散传播,直接影响人体健康。微生物学指标是目前用于饮用水生物性
14、污染评价的重要指标,也是流行病学中水质安全的保障2。根据 GB 57492022 生活饮用水卫生标准,水质微生物指标包括总大肠菌群、大肠埃希氏菌以及菌落总数。此外,微生物群落的丰度和多样性受水体环境的直接影响,一定程度上反映了水生态系统的健康情况3-5。对饮用水中微生物群落进行解析,既能评估微生物群落的多样性,又能识别公共卫生关注的微生物类群,更好地评估饮用水的微生物安全性,从而评估大规模介水传染病暴发的风险6。现有研究主要集中在饮用水水质指标监测方面,对于饮用水微生物群落结构的研究较少。本文为了解水质指标、微生物污染情况和群落结构在不同类型饮用水中的变化特征及相关性,对城市城区管网末梢水、楼
15、宇水箱水和城市郊区自备井水进行采样,测定理化指标以及微生物群落结构,以期为更好地保障居民饮用水健康提供理论依据。1材料与方法1.1采样点与水样收集针对城市城区管网末梢水、楼宇水箱水和城市郊区自备井水 3 种饮用水进行现场采样。其中,自备井水(n=5),具体编号为 WW_1、WW_2、WW_3、WW_4、WW_5;楼宇水箱水(n=3),具体编号为 TW_1、TW_2、TW_3;管网末梢水(n=4),具体编号为 MW_1、MW_2、MW_3、MW_4。共 12 个水样。1.2检测项目按照 GB/T 5750生活饮用水标准检验方法 对水样进行采集、保存、运输及检验。水样检测指标:感官性状和一般化学指
16、标pH 值、浑浊度、总溶解固体(totaldissolved solids,TDS)、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Cl-、SO42-、毒理指标(Pb2+、Cd2+、F-、NO3-N)、微生物指标(菌落总数、总大肠菌群、大肠埃希氏菌)。1.3DNA 提取与 Illumina MiSeq 高通量测序采用 DP328 DNA 提取试剂盒提取,按照试剂盒说明书进行样品 DNA 提取。将提取到的基因组 DNA,对16S rDNA V3-V4 区进行扩增,以 3 组样品:自备井水、楼宇水箱水、管网末梢水共 12 个水样所提取的 DNA原液作为聚合酶链式反应(polymerase chain r
17、eaction,PCR)模板,利用细菌 16S rDNA 通用引物进行扩增。通用引物序列为 B314F:(5-CCTACGGGNGGCWGCAG-3),B785R:(5-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3)。PCR 进行 2 轮扩增,第 1 轮反应条件:95 益预变性3 min;95 益变性 30 s;55 益退火 30 s;72 益延伸 30 s;25 个循环;72 益后保温 5 min,于 4 益保存。第 2 轮反应条件:95 益预变性 3 min;95 益变性 30 s;55 益退火30 s;72 益延伸 30 s,8 个循环;72 益后保温 5 min,于4 益保存。反应结
18、束后配制 2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR 产物,胶回收按照 QIAquick Gel Extraction Kit 操作流程进行,进行 Illumina MiSeq 高通量测序。1.4数据处理使用 Mothur 软件对数据进行序列过滤,去除平均质量得分臆20 的序列,去除含 N 的序列,去除同聚体过长(10 bp)的序列;去除引物错配过多(逸4 bp)的序列,并去除引物序列;去除过短(臆200 bp)和过长(逸500 bp)的序列;使用 UCHIME 法以 Gold 数据集作为参比,去除嵌合体(chimera),以得到用于后续分析的优质序列。使用 USEARCH 根据序列相似度将序列聚类为操检测
19、分析153食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期由表 1 可知,3 种类型饮用水的水质常规指标检测结果略有不同。自备井水中检测出菌落总数为 18耀240 CFU/mL,超过饮用水卫生标准限值(100 CFU/mL);同时还检测出总大肠菌群和大肠埃希氏菌,说明自备井水中存在一定的微生物污染。微生物指标中菌落总数是评价水受到污染的参考指标,水体受污染的程度越高,水中的菌落总数就越高7,总大肠菌群超标表明可能存在肠道传染病菌8,而大肠埃希氏菌则是水体受粪便污染的重要指示菌9。造成自备井水微生物指标不合格的原因可能包括污水排放随地表水或雨水渗入地下、自备井与厕所等粪水距离较近、地
20、面存在动物粪便被粪水污染等10。因此,需要加强自备井水的净化消毒以及日常监管维护。所采集的管网末梢水样中,某采样点的 Cu2+浓度最高达 2.218mg/L,超过饮用水卫生标准限值(1.000mg/L)。长期饮用含铜超标的水会导致生物体的肝脏和肾脏受到严重的损害,造成严重的疾病11。研究表明出厂水会受到配水系统本身的影响,比如管道材料12、管道腐蚀13和松散沉积物的再悬浮14等。本研究管网末梢水Cu2+超标的原因可能是该采样点的输配水设施材质造成金属离子析出15或是与管道老化锈蚀有关16。因此,需要慎重选择运输管道的材质,并加强输水管网体系的后期运行维护,保障居民的安全用水。其余检测指标均未见
21、超标现象,均符合 GB 57492022 生活饮用水卫生标准。综上所述,本研究中楼宇水箱水的水质最优,其次为管网末梢水和自备井水,这与相关的研究结果相符15。2.2微生物群落结构分析2.2.1微生物群落 Alpha 多样性分析各水样的丰富度和多样性指数如表 2 所示。表 1不同类型饮用水的常规水质指标Table 1Conventional water quality indicators of different types of drinking water检测指标 pH 值浑浊度/NTU总溶解固体 TDS/(mg/L)菌落总数/(CFU/mL)总大肠菌群/(CFU/100 mL)大肠埃希氏
22、菌/(CFU/100 mL)Fe3+/(mg/L)Mn2+/(mg/L)Cu2+/(mg/L)Zn2+/(mg/L)Pb2+/(mg/L)Cd2+/(mg/L)F-/(mg/L)Cl-/(mg/L)SO42-/(mg/L)NO3-N/(mg/L)自备井水7.437.870.130.3120734818240050020.0110.0590.0040.050低于检出限00.20低于检出限低于检出限0.3240.48210.27142.50319.688155.9762.8896.406楼宇水箱水7.557.850.200.33181337未检出未检出未检出0.0250.0390.004 00.0
23、01 低于检出限低于检出限低于检出限0.3760.40913.64157.63939.00979.4292.3818.672管网末梢水7.527.850.180.27161336029未检出未检出0.0220.0710.004 02.218 00.32低于检出限低于检出限0.3180.41410.09457.38036.82079.1432.0818.760饮用水卫生标准限值6.508.501.001 000100不应检出不应检出0.3000.1001.0001.000.010.051.000250.000 250.000 10.000作分类单元(operational taxonomic u
24、nits,OTU),相似度高于 97%的序列聚类为一个 OTU,OTU 聚类时将稀有序列(singleton)弃去。通过 Mothur 软件计算各水样的丰富度和多样性指数。使用 PyNAST 将 3 组水样的OTU序列比对到 SILVA 数据库,用 UniFrac 生成群落间距离矩阵,通过主成分分析绘制二维主坐标分析(princi原palco-ordinates analysis,PCoA)图。通过 Excel 软件对细菌相对丰度进行统计,解析微生物群落组成。2结果与分析2.1水体的理化性质不同类型饮用水的常规水质指标如表 1 所示。表 2Alpha 多样性指数统计表Table 2Statis
25、tical table of Alpha diversity indexes类型水样名称序列数OTUChao1 指数丰富度覆盖率/%香农指数辛普森指数自备井水WW_152 38283092488799.794.000.058WW_252 6681 7791 9001 94199.475.260.020WW_345 7531 2861 3921 41999.524.750.030WW_441 8251 2881 4731 47199.374.710.033WW_543 80759366864299.803.380.092楼宇水箱水TW_158 97759366465399.842.290.348
26、TW_260 72455464161599.853.110.111TW_358 92460868766499.842.950.144管网末梢水MW_145 0699201 0601 05699.594.100.052MW_247 76161975469699.753.160.122MW_347 32073386881799.723.570.092MW_454 1501 4911 6271 64699.524.910.026检测分析154食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期由表 2 可知,覆盖率为 99.37%99.85%,表明测序结果可靠,可以较为真实、准确地描述样本微
27、生物群落信息。统计各水样在不同 OTU 中的丰度信息,其中,自备井水的 OTU 较多,为 5931 779 个,楼宇水箱水的 OTU 较少,为 593608 个,这表明自备井水有较多的特有微生物种类。香农指数和辛普森指数表示微生物群落的多样性,香农指数越大多样性越高,辛普森指数越小多样性越高17。ACE 和 Chao1 通常用于估计样本中微生物群落丰富度,两者值越大代表物种越多18。3 种类型饮用水中香农指数为自备井水跃管网末梢水跃楼宇水箱水,辛普森指数为楼宇水箱水跃管网末梢水跃自备井水,ACE 为自备井水跃管网末梢水跃楼宇水箱水,Chao1 指数为自备井水跃管网末梢水跃楼宇水箱水,上述结果表
28、明,自备井水的微生物群落多样性与丰富度最高,而楼宇水箱水的微生物群落多样性与丰富度最低。2.2.2微生物群落 Beta 多样性与差异细菌分析基于 Unifrac 距离的 PCoA 分析能描述不同样品间是否有显著的微生物群落差异,如果两个样品的距离较近,则表示这两个样品的微生物群落组成较相似19。本研究中自备井水、管网末梢水和楼宇水箱水的细菌群落 PCoA 分析(weighted UniFrac)如图 1 所示。由图 1 可知,第一主成分、第二主成分的贡献率分别为 76.6%、10.1%。从组间差异来看,自备井水与楼宇水箱水组间差异较大;从组内相似度来看,楼宇水箱水的 3 个水样相似度最高,自备
29、井水的 5 个水样相似度最低,管网末梢水的相似度居中。自备井是农村及边远地区的一种供水方式,其分布较为分散,地理位置跨度较大,且水质易受周围环境和居民生活影响,因此组内相似度较低。而楼宇水箱水的来源为市政供水,且水箱具有建设标准及维护措施,因此组内相似度较高。2.2.3微生物群落组成分析在门水平上,水样的细菌群落结构如图 2 所示。由图 2 可知,按相对丰度大于 0.1%的原则,门水平上共筛选出 8 个优势菌门。所有水样均以变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)为主,这 4种门
30、水平的相对丰度比例约占 96.72%99.18%,说明在门水平上,Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes 和Actinobacteria 为自备井水、楼宇水箱水和管网末梢水的优势菌群。已有研究表明,这些菌门广泛存在于各类水源中,与本研究结果一致。张紫薇等20研究发现Actinobacteria、Proteobacteria、Bacteroidetes 是岗南水库的主要优势菌门。林凯宗等21研究表明 Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria 和疣微菌门(Verrucomi原crobia)是北京、黑龙江等五省自备
31、井水的优势菌门。此外,Proteobacteria、Actinobacteria 和 Firmicutes 也是水体沉积物的主要菌门,在有机物降解、碳循环以及水生态系统的循环过程中起着重要的作用22。本研究中自备井水、楼宇水箱水和管网末梢水的优势微生物菌门是 Proteobacteria,但在自备井水中 Firmicutes 的相对丰度达到 8.95%39.12%,成为第二大优势微生物种群。这主要是由于 Firmicutes 与人类活动密切相关23,而自备井水又受人类活动扰动较大,因此 Firmicutes的占比较高。在属水平上,不同类型饮用水的群落结构分布如图 3 所示。由图 3 可知,3
32、种类型饮用水的细菌覆盖 242 个属,其中相对丰度大于 1%的包括 13 个属,3 种类型饮用水的细菌群落组成存在一定的差异性,但优势菌属均为嗜盐单胞菌属(Halomonas)、远洋杆菌属(Pelagib-acterium)、大肠埃希氏-志贺菌属(Escherichia-Shigella)和涅斯捷连科氏菌属(Nesterenkonia)。其中楼宇水箱水和管网末梢水具有相似的群落结构组成,这与它们图 1不同类型饮用水的 UniFrac 加权主坐标 PCoA 分析Fig.1Weighted UniFrac PCoA analysis of different types ofdrinking wa
33、ter0.100.050-0.05-0.10-0.15-0.20-0.3-0.20.3PC1(76.6%)-0.100.10.2WW_1WW_5TW_2MW_2TW_3MW_3TW_1MW_1WW_4WW_3MW_4WW_21009080706050403020100ProteobacteriaFirmicutesBacteroidetesActinobacteriaVerrucomicrobiaCyanobacteriaunclassifiedCandidate_division_WS6others图 2不同类型饮用水的门水平群落结构分布Fig.2Community structure di
34、stribution of bacteria at phylumlevel in different types of drinking water检测分析155食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期图 4KEGG 代谢通路功能分类图Fig.4KEGG function classifications of metabolism pathways来自于相同的市政供水管网有关,楼宇水箱水由于供水前会先在蓄水池中进行贮藏再进行输送,易造成二次污染,从而导致在水质、细菌物种丰富度上与管网末梢水不同,但这并不会改变水中细菌群落的组成。就占主导的细菌种类而言,Halomonas、P
35、elagibacterium和 Nesterenkonia 在 3 种水样的平均相对丰度顺序均为楼宇水箱水管网末梢水自备井水。Escherichia-Shigella在 3 种水样的平均相对丰度顺序为自备井水管网末梢水楼宇水箱水。其中 Halomonas 可以同时进行硝化和反硝化作用,具有一定的脱氮能力24-25,Pel-agibacterium 与氟化物有关,可以作为氟化物和氟中毒的标志微生物26。Nesterenkonia 在高盐碱环境中被发现,且为优势放线细菌类群27。Halomonas、Pelagibac原terium 和 Nesterenkonia的平均相对丰度均在楼宇水箱水中最高,
36、管网末梢水次之,其原因可能与水箱的环境选择作用有关,造成优势微生物的富集28,同时有研究表明 Halomonas 可能是来自饮用水储存和运输过程中的污染,因此其在楼宇水箱水和管网末梢水中丰度较高29。Escherichia-Shigella是细菌性痢疾的病原体30,易造成饮用水微生物安全风险,其序列与大肠杆菌高度相似,是检测动物粪便污染的指标之一31。该菌属在自备井水的检出率相对较高,其原因可能是自备井水相较于楼宇水箱水和管网末梢水更易受人和动物粪便的污染。Escherichia-Shigella的检出可能会对人类健康造成威胁,因此,需要加强自备井水的净化和消毒。2.2.4功能基因代谢通路分析
37、通过京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclo原pedia of Genes and Genomes,KEGG)对 3 种类型饮用水基因序列进行微生物代谢功能分析,其各功能基因相对丰度如图 4所示。1009080706050403020100HalomonasPelagibacteriumEscherichia-ShigellaNesterenkoniaGlycoculisSalmonellaBacteroidesCaldicoprobacterothersAlistipesLactobacillusFastidiosipilaRC9_gut_groupPrevotella图 3不同
38、类型饮用水的属水平群落结构分布Fig.3Community structure distribution of bacteria at genuslevel in different types of drinking water缺乏特征的基因遗传信息加工代谢神经系统免疫系统循环系统消化系统排泄系统感觉系统内分泌系统外来物质的生物降解与代谢核苷酸代谢萜类和酮类化合物代谢其他次生代谢产物合成脂类代谢糖链的生物合成与代谢其他氨基酸代谢能量代谢氨基酸代谢碳水化合物代谢辅助因子与维生素代谢酶家族运输与分解代谢代谢性疾病免疫系统疾病心血管疾病癌症传染性疾病神经退行性疾病转录翻译折叠、分拣和降解膜运输信号
39、传导信号分子与相互作用细胞生成与死亡细胞过程与信号细胞运动细胞交流复制和修复环境适应0.200.150.100.050相对丰度/%未分类生物体系统新陈代谢人类疾病遗传信息加工环境信息加工细胞工程管网末梢水楼宇水箱水自备井水检测分析156食品研究与开发圆园23 年 10 月第 44 卷第 19 期由图 4 可知,在一级分类上,3 种类型饮用水的所有功能基因序列可以分为 7 类,其中,新陈代谢功能模块相关的功能基因相对丰度较高且数量较多。其次是遗传信息加工、未分类、环境信息加工和细胞过程。人类疾病和生物体系统模块相关的功能基因相对丰度较低。二级分类的功能主要集中在膜运输、氨基酸代谢、碳水化合物代谢
40、、复制和修复、能量代谢这 5 种途径,这与之前的研究结果相似32。同时,在本研究中,基于 KEGG 数据库预测的 3 种类型饮用水不同代谢途径的丰度值均差距不大,表明饮用水细菌群落的代谢水平具有趋同性。这是由于代谢途径通常涉及酶催化、代谢产物合成等生物化学反应33,这些反应的发生不依赖于饮用水的种类,而受到更复杂因素的影响。因此,不同类型的饮用水对代谢途径的影响较小,3 种类型饮用水表现为趋同性。此外,从 3 种类型饮用水中共发现 6 种与人类疾病相关的途径,即传染性疾病、神经退行性疾病、癌症、心血管疾病、免疫系统疾病和代谢性疾病,这些疾病均会导致人体健康出现问题。因此,需要关注饮用水可能带来
41、的传染风险,加强饮用水安全的监管。3结论自备井水中检测出菌落总数且超过饮用水卫生标准限值,同时还检测出总大肠菌群和大肠埃希氏菌,表明应对自备井进行定期的净化消毒和设施养护;管网末梢水中 Cu2+超标,可能存在输配水设施材质老化的问题,因此需要及时进行维护与更换。自备井水的微生物群落多样性最高、组间相似度最低,楼宇水箱水微生物多样性最低、组间相似度最高,且两者间细菌群落存在差异。Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidota和 Actinobacteria 为管网末梢水、楼宇水箱水和自备井水的优势菌门。Halomonas、Pelagibacterium 和 Nest
42、ere-nkonia的平均相对丰度均在楼宇水箱水中最高,可能是来自饮用水储存和运输过程中的污染,致病菌 Es原cherichia-Shigella 在自备井水中的检出率相对较高,该菌主要来源于人和动物粪便的污染,说明自备井易受人类活动的污染,需要加强自备井水的净化和消毒。3 种类型饮用水的水质和微生物群落存在一定差异,但自备井水更易受到外界环境以及人类活动等因素的影响。通过微生物代谢功能分析可知,3 种类型饮用水中均发现少量与人类疾病相关的代谢途径,这些疾病均会导致人体健康出现问题,因此,需加强饮用水安全的监管。参考文献:1郑奇光,马红梅,刘盛田,等.北京市东部某区 20102018 年生活饮
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