WR：中国46个饮用水供水系统评估水源水对龙头水细菌群落的“烙印”

基于中国46个饮用水供水系统评估水源水对龙头水细菌群落的影响

Assessing the impact of source water on tap water bacterial communities in 46 drinking water supply systems in China

期刊及链接

Water Research, 2020

https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115469

作者

第一作者：韩子铭^1,3

通讯作者：杨敏^2,3，张昱^1,3

其他作者：安伟²

作者单位

1环境水质学国家重点实验室，中国科学院生态环境研究中心

2 中国科学院饮用水科学与技术重点实验室，中国科学院生态环境研究中心

3 中国科学院大学

摘要

饮用水处理和输配过程对龙头水中的细菌群落的重要影响已经被普遍接受，但是本研究聚焦了水源水对龙头水细菌群落的影响。我们从中国的46个饮用水处理系统中“成对”地采集了水源水和龙头水样品，高通量测序的结果表明，相比于水源水，龙头水中细菌群落的丰富度、多样性降低，地理分布特征也减弱。尽管细菌群落从水源到龙头发生了很大变化，基于Bayesian的SourceTracker算法发现水源水中的细菌群落依然有平均49.73%±30.22%可能来自相应的水源水，表明一系列的饮用水处理和输配过程依旧不能磨灭水源的“烙印”。Mantel检验、Procrustes检验、方差分解分析（VPA）的结果进一步佐证了这一水源对龙头的不可磨灭的贡献。不同样品的SourceTracker结果差异很大，表明不同的水源水有不同的影响龙头水细菌群落的能力。为了进一步探讨这一问题，基于随机森林（random forest）算法，将12类细菌主要类群分成了敏感类群（sensitive taxa，龙头水中比水源水中显著少）和耐受类群（resistant taxa，水源水和龙头水中差异不显著）。SourceTracker比例与水源水中敏感类群丰度呈负相关，而与耐受类群丰度呈正相关，说明水源水的物种组成差异是决定水源水对龙头水细菌群落影响大小的重要因素。综上所述，本研究发现了水源水能够对龙头水细菌群落产生重要影响，不同的供水系统影响程度差异显著，并揭示了产生这一现象的原因和影响因素。我们的研究呼吁，尽管有严格的饮用水处理和输配规范，水源水细菌群落的影响也不能被忽视，将来需要更有效的水源地保护措施和水处理工程策略来避免可能来自水源水的生物安全威胁。

背景

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饮用水的微生物安全和稳定性对公共卫生安全至关重要，微生物群落“从水源到龙头”（from source to tap）的动态变化规律是一个重要的科学问题。饮用水处理过程（尤其是消毒步骤）会显著改变微生物群落，许多研究发现在经过水厂处理和管网输配的饮用水中，水源微生物的影响已经微乎其微。然而，这个结论也一直存在争议。为了解决这个争议，需要回答两个问题：（1）经过了水厂处理和输配过程的龙头水细菌群落有没有水源水的“难以磨灭的烙印”？（2）水源水细菌群落如何对龙头水细菌群落产生影响？

为此，本研究在中国中东部地区采集了大尺度的样品，在46个水厂“成对”地采集了供水系统的水源水和对应的龙头水（图1A）。与之前研究只针对一个水源、一个水厂和一条管网的单独供水系统长期定点采样不同，本研究的采样策略同时获取大量的物种组成非常多样的水源和龙头样品，有助于分析水源水的差异对龙头水的差异的贡献；此外，大尺度、大规模的样品能够更好地克服小尺度、少量样品的偶然性、随机性的问题。‍‍

主要结果

微生物群落组成、多样性和地理分布

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水源水中有12个细菌类群（门水平，除α-，β-，γ-，δ-Proteobacteria外）的相对丰度>1%，α-，β-和γ-Proteobacteria是水源水和龙头水中最丰富的细菌类群（图1C）。相比于水源水，龙头水的α多样性显著降低，β多样性显著改变（图1B），地理位置对群落结构的影响和大尺度下的距离衰减效应也减弱（图2，表1）。

图1 46个水源水（SW）样品和对应的46个龙头水（TW）样品的细菌群落差异。
（A）分布在中国中东部地区29个城市的46对样品的地理位置。
（B）水源水和龙头水细菌群落的主坐标分析。
（C）高丰度细菌类群（变形菌门的四个主要纲和除变形菌门外相对丰度>1%的门）箱线图。百分比表示龙头水中细菌群落相比于水源水中增加的百分比。MDA和MDGini由随机森林模型计算得到，细菌类群的MDA和MDGini的统计检验显著（*表示P < 0.05，**表示P < 0.01）表明其在水源水和龙头水中有显著差异。

图2 水源水（A）和龙头水（B）细菌群落的距离衰减效应。

表1 水源水（SW）、龙头水（TW）细菌群落与潜在的影响因素之间的Mantel检验。

水源水影响龙头水细菌群落的程度及其决定因素

本研究使用基于Bayesian的SourceTracker算法计算了每一个水源水样品对其对应的龙头水样品的细菌群落的贡献大小，结果表明水源水中平均49.73%±30.22%的细菌群落可能来自相应的水源水。因此，尽管经历了一系列水处理和输配过程，龙头水中水源的“烙印”依旧不能被磨灭。水源水和龙头水之间的共有高丰度种属信息及共有OTU的Venn图（图3A、B），Mantel检验（表1）、Procrustes检验（图3C）等进一步佐证了水源对龙头的不可磨灭的贡献。

值得注意的是，不同样品的SourceTracker结果差异很大（0%到92.8%），这表明不同的水源水有不同的影响龙头水细菌群落的能力。为了进一步探讨这一问题，基于随机森林（random forest）算法，将12类细菌主要类群分成了敏感类群（sensitive taxa，龙头水中比水源水中显著少）和耐受类群（resistant taxa，水源水和龙头水中差异不显著）两大类。敏感类群包括Planctomycetes、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Chloroflexi和δ-Proteobacteria；耐受类群包括α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和Cyanobacteria（图1C）。根据水源水中敏感类群的丰度将所有样品分成了4个Clusters，Cluster1的敏感类群丰度最高，耐受类群丰度最低，同时它的SourceTracker比例最低（图4），这说明样品的物种组成，尤其是敏感类群与耐受类群的相对丰度，可能与其SourceTracker比例有关。线性回归分析进一步印证了这一猜想，SourceTracker比例与水源水中敏感类群丰度呈负相关，而与耐受类群丰度呈正相关（表2）。水源水与对应龙头水细菌群落的Bray-Curtis相似度也与水源水中敏感类群丰度呈负相关，与耐受类群丰度呈正相关（表2）。因此，水源水的物种组成差异是决定水源水对龙头水细菌群落影响大小的重要因素。

本研究中“敏感类群”和“耐受类群”的划分实际上反映了不同细菌类群对水处理过程的响应差异，这一划分结果也被文献中不同细菌类群在饮用水处理和输配过程中的变化结果所佐证（表3）。

图3 水源水（SW）和龙头水（TW）中细菌群落的相似性。

（A）所有水源水和龙头水样品的共有和特有的OTU。

（B）每个龙头水样品中的OTU可以在相应水源水样品中检出的百分比的平均值。

（C）Procrustes检验表明水源水和龙头水细菌群落之间有显著相关性（sum of squares M² = 0.7761, r = 0.4731, P = 0.0001）。

图4 水源水中的敏感类群与其SourceTracker比例之间的关系。

（A）水源水中143个敏感类群的OTUs（Planctomycetes、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Chloroflexi、δ-Proteobacteria中相对丰度>0.01%的OTU）热图。

（B-D）热图中4个Cluster的SourceTracker比例、敏感类群丰度、耐受类群丰度的比较。

表2 水源水中主要细菌类群丰度和水源水对龙头水细菌群落贡献程度（用SourceTracker比例和Bray-Curtis相似度来刻画）之间的线性回归分析。

表3 细菌类群在饮用水处理和输配过程中的变化。

龙头水细菌群落与潜在影响因素的多元统计分析

除了水源水细菌群落，本研究还考虑了地理位置、化学性质指标和余氯作为龙头水细菌群落的影响因素。Mantel检验（表1）、方差分解分析（VPA）、结构方程模型（SEM）（图5）等多元统计方法都表明，水源水及其地理位置是影响龙头水细菌群落的主要因素，其中地理位置主要是通过影响水源水细菌群落进而间接地影响了龙头水细菌群落。

图5 水源水细菌群落、地理分布、龙头水化学性质、龙头水余氯浓度对龙头水细菌群落差异的贡献。
（A）方差分解分析（VPA）解析各个因素的贡献比例。
（B）结构方程模型（SEM）解析了各个因素对龙头水细菌群落的直接和间接影响。

结论与展望

本研究发现水源水能够对龙头水细菌群落产生重要影响，不同的供水系统影响程度差异显著，并提出水源水的细菌群落组成（尤其是敏感类群和耐受类群的相对丰度）是决定水源水对龙头水细菌群落影响程度的重要因素。因此，在严格、规范处理饮用水的同时，也应当重视水源水的生物污染问题，尤其要关注水源中致病的、对处理过程有耐受力的微生物的污染问题；此外，为保障饮用水微生物安全，需要根据水源特征进一步开展相关技术研究与工程实践，阻断水源对龙头的“烙印”。

中国科学院生态环境研究中心

环境水质学国家重点实验室

环境微生物技术研究组发布

作者：韩子铭

编辑：韩子铭

审核：张昱

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