丝状真菌
——城镇供水系统生物风险和安全保障的新挑战

文 刚1,2，吴戈辉1,2，万琪琪1,2，常宝春1,2，徐源源1,2，黄廷林1,2

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安 710055；2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，陕西西安 710055)

摘 要 丝状真菌是具有完整细胞结构的真核生物，其基本形态是单细胞孢子和多细胞菌丝体。丝状真菌在城镇供水系统中广泛存在，会造成严重的人类健康风险和水污染问题，然而，因真菌很少引起急性疾病，供水系统中真菌污染问题未受到足够重视。但是，供水系统中的真菌对免疫力低下的老人和小孩影响很大。在不同水源中均能频繁检测出丝状真菌，传统水处理工艺过程能大幅降低真菌数量，但深度水处理工艺生物活性炭出水真菌浓度升高，具有很高的生物风险；传统氯消毒不能有效控制水中真菌，管网输配过程真菌容易二次繁殖并进入用户家中，引发真菌生物风险。目前，供水系统中真菌污染的研究还处于初级阶段，还有很多问题值得进一步研究。水中真菌的快速检测方法、快速暴发条件、安全高效消毒方法以及真菌毒素的控制是今后的研究方向。需要从水源、水厂、联合消毒、管网等多方面控制丝状真菌污染，建立多单元协同控制真菌污染的多级屏障体系，保障供水安全。

城镇供水系统会面临一系列生物风险，包括病毒、细菌、丝状真菌、藻类和原生动物(表1)，其中一些病原生物可能导致水质恶化，并产生水媒介传播疾病。水媒介传播的致病生物可能会引起肠道疾病，其中病毒和原生动物如隐孢子虫和贾第鞭毛虫(简称两虫)具有比致病细菌更高的传染性，更易引起感染，但两虫对氯有更高的抗性，较难被水中的氯消毒剂灭活。我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)对水中的致病生物有严格规定，其中大肠杆菌、贾第鞭毛虫和隐孢子虫均不得检出，细菌总数不得超过100 CFU/mL。此外，水中普遍存在的致病性病毒会引起一系列急性水致疾病和胃肠道感染[1]。虽然地表水环境质量标准和生活饮用水标准都没有对藻类设限值，但是水源中的藻细胞及其代谢产物会给饮用水水质安全带来一系列问题，主要体现在产生藻毒素和嗅味、增加含碳(氮)消毒副产物前驱物、降低饮用水生物稳定性，所以水源中的藻类也是主要关注的生物污染之一。许多致病细菌、病毒和寄生虫在饮用水中的出现通常会导致人类出现相对急性的症状和疾病。丝状真菌污染常被认为不会引起急性疾病，因而在过去的研究中被长期忽略[2]。但近几十年来的研究表明，饮用水中真菌污染大量存在，会给环境和人体健康带来许多危害。一方面，真菌污染会影响饮用水水质，主要体现在色、嗅、味的改变和真菌-细菌生物膜的形成等。另一方面，真菌污染也会对人体健康造成威胁，尤其对于免疫力低下的病人而言这种感染往往是致命的[3]。因此，真菌污染的危害不容小觑，一旦真菌快速暴发，会造成严重的饮用水供水安全问题。

1 水中真菌在水环境暴发会引发一系列问题

由于丝状真菌很少引起急性疾病，目前对水中真菌开展的研究较少。供水系统中真菌污染危害的研究多集中于西方发达国家，水中丝状真菌会引发水体嗅味，产生色度，对免疫力低下人群造成哮喘、过敏性肺炎、皮肤感染等疾病。在20世纪60年代和70年代，国外先后出现了有关丝状真菌导致的饮用水嗅味、气味以及由丝状真菌引起的健康问题事件[4-6]。在20世纪80年代和90年代，芬兰和瑞典报道了多起由真菌污染饮用水引起的健康以及嗅味问题，严重影响人民群众的生活[2]。近年来，随着研究的不断深入，人们对饮用水中真菌的认识逐渐增加。Kikuchi等[7]研究表明，水中存在的球毛壳霉会产生土臭素，使饮用水出现嗅味。Hageskal等[8]就挪威地表水与地下水的真菌污染问题进行了研究，结果表明，地表水的霉菌检出率可达69.7%，远高于地下水42.3%的检出率，而曲霉(Aspergillus niger)、青霉(Penicillium polonicum)和木霉(Trichoderma harzianum)是检出率最高的3种霉菌。Sammon等[9]从不同地点不同工艺的水厂、医院和学校采集水样进行了研究，检测出了枝孢菌、曲霉、青霉等真菌。Siqueira等[10]研究表明水中的真菌可能会产生真菌毒素，从而使饮用水产生色度、浑浊度等，而在医院，低免疫力的患者易受到曲霉感染，其中烟曲霉是最主要的感染源。Anaissie等[11]研究表明医院的自来水中存在潜在致病真菌，若扩散到空气中则会导致大规模的低免疫力患者感染，引起毒性反应，造成哮喘、过敏性肺炎、皮肤感染等疾病[12-13]。

国内对供水系统真菌污染问题关注较晚。厦门大学于鑫教授团队最早从福建厦门不同地点采集水样(地表水、公共用水、住宅用水和水箱水)并进行分析，结果表明地表水样中真菌的检出率高于其他水样，检出真菌以曲霉、镰刀菌、青霉、木霉、毛霉和根霉菌为主，并且住宅和公共场所的自来水中检出率较高的是镰刀菌、外瓶霉和瓶霉菌，在特定时期的水样中还检测到了黄曲霉毒素[14]。此外，于鑫教授团队还针对真菌本身性质及其代谢的主要次生真菌毒素以及对人类健康的危害进行了综述[15]。前期，西安建筑科技大学文刚团队从西安市北郊地下水的226个水样中分离出18个真菌属，其中青霉属(15%)、链格孢属(11%)、曲霉属(10%)、枝顶孢属(10%)和木霉属(9%)为检出的优势真菌属，其中多数都具有一定的致病性、致敏性和致毒性[16]。韩梅等[17]对北京某水厂的炭砂滤池的生物安全性进行了研究，结果表明炭砂滤池的出水中存在条件致病菌属曲霉菌污染情况，并且含量较高，威胁人体健康。王钰等[18]采用培养法和高通量测序方法对上海供水系统进行了分析，结果发现：原水、净水后和龙头水中的优势真菌各不相同，活性炭过滤出水真菌数量和物种丰富度均较前一工艺有所上升；供水系统中的优势真菌为子囊菌门，该门真菌可穿透净水工艺过程的多级屏障，但曲霉属与支顶孢属因疏水性强和黑色素保护而存在于各阶段中，在城市供水系统造成一定程度的真菌风险。

从国内外真菌污染的研究中可以发现，真菌污染在供水系统中广泛存在，会对人类健康带来许多危害。供水系统中的真菌主要会导致以下问题：1)产生嗅味(土臭素和2,4,6-三氯苯甲醚)；2)产生真菌毒素，引发毒性反应、皮肤过敏、过敏性肺炎和哮喘等；3)丝状真菌大量繁殖导致肉眼可见颗粒物和浑浊度超标；4)增加含碳(氮)消毒副产物前驱物。瑞典对饮用水中(管网末端水)真菌污染有规定，要求饮用水真菌数量低于100 CFU/(100 mL)，而其他各国还没有这方面的规定。因此，饮用水中的丝状真菌污染应引起重视并应采取有效措施进行控制。

2 真菌的生物学特性与细菌差异显著

真菌与动物界、植物界并列，为真菌界。真菌在自然界中至少有10万种，但对人类致病的真菌不过几十种。真菌是一类异养真核生物，主要包括霉菌(又称丝状真菌)、酵母菌(单细胞)和蕈菌(大型真菌)。真菌的基本形态是单细胞个体(孢子)和多细胞丝状体(菌丝体)。真菌界分为4门和1类，主要包括壶菌门、接合菌门、子囊菌门、担子菌门和半知菌类。城镇供水系统中常见的曲霉、青霉属于子囊菌亚门，木霉为半知菌亚门。

真菌孢子处于适宜条件时会打破休眠状态开始萌发，进行营养生长。绝大多数真菌的营养体都是可分枝的丝状体，单根丝状体称为菌丝(hypha)。许多菌丝相互交织组成菌丝体(mycelium)，纵横交错，形态各异，具有多样性。其功能主要用于吸收营养、物质运输、代谢产物的储藏及繁殖等。菌丝可无限生长，但直径是有限的，一般为2～30 μm，最大可达100 μm。菌丝分为有隔菌丝和无隔菌丝，其中菌丝体内有隔膜的称为有隔菌丝，存在于某些高等真菌中。

当真菌营养生长进行到一定时期，真菌开始转入繁殖阶段，形成各种繁殖体，真菌的繁殖体包括无性繁殖形成的无性孢子和有性繁殖产生的有性孢子。典型的真菌孢子结果如图1所示，除真核生物共有的细胞器外，其特殊的细胞壁结构致使其拥有特殊的理化性质，几丁质与色素的存在使得真菌孢子能够抵抗外界的不良环境。

真菌与细菌在细胞结构及对消毒剂抗性方面有着诸多差异。真菌为真核生物，细胞尺寸较大，往往在10～100 μm，细胞质中可以找到真核生物细胞中常见的细胞器。而细菌为原核生物，细胞尺寸一般为1～10 μm。以大肠杆菌为例，其细胞结构简单，细胞器少，不存在完整的细胞核，其遗传物质直接存在于细胞质中。细菌的繁殖方式为简单二分裂，而真菌可通过断裂、出芽和产生孢子的方式进行无性繁殖，同时又可以通过配子融合和减数分裂产生有性孢子的方式进行有性生殖。在不良环境条件下，真菌孢子会进入休眠态以抵抗外界不利影响，当环境状态适宜时，真菌孢子会从休眠态复苏，进一步生长萌发重新繁殖。

真菌孢子和细菌具有不同的细胞壁成分，细菌细胞壁的主要成分为肽聚糖，而几丁质则是真菌细胞壁的主要成分，其可以增大真菌的结构强度，从而更好地保护真菌细胞不受损伤[31]。真菌具有更大、更完整且结构复杂的细胞核，因而相比细菌对紫外的抗性更强[32]。菌丝体的形成使得真菌孢子形成复杂的空间结构以便于吸收环境中养分，抵抗不良生长环境。

3 供水系统丝状真菌污染与控制研究现状

3.1 不同水源中均能频繁检测出丝状真菌

研究发现，世界多国水源中均能检出丝状真菌，相对地下水源，地表水源中丝状真菌检出频率和含量更高，其中大多可以检测出条件致病菌曲霉属和青霉属。所以，水源中存在较高的真菌污染风险。于鑫团队分别对地表水、公共系统水、住宅水和水箱水系统进行了真菌检测和定量分析，结果表明地表水中的真菌污染检出频率远高于其他水系统，曲霉属、镰刀菌属、青霉属、木霉属、毛霉属和根霉属是水系统中的优势真菌属[14]；此外，巴西水库中也分离出多种真菌，其中曲霉属(37%)和青霉属(25%)占主导，其次是木霉属(9%)和镰刀菌属(9%)，以及弯孢属(5%)，最后是拟盘多毛孢属，仅占总量的2%[33]。Mikušov等[30]用DG-18平板培养法调查了挪威地表水、地下水中的真菌污染状况，发现地表水较地下水中真菌检出频率更高，水中检出频率最高的真菌是青霉、木霉和曲霉。Kanzler等[34]调查了奥地利地下水及自来水中真菌污染状况，发现自来水中真菌数量平均为9.1 CFU/(100 mL)，而地下水中的真菌数量平均为5 400 CFU/(100 mL)，频繁检出的真菌是枝顶孢霉和青霉。Pereira等[35]调查了葡萄牙地下水、地表水和自来水中真菌污染状况，结果发现水中共有52种真菌，以曲霉、青霉和木霉为主。以上研究表明，真菌污染在世界多国各类水源中均能检出，其中曲霉属、青霉属、木霉属和枝孢属等是主要的丝状真菌，而青霉属和曲霉属为条件致病菌。

3.2 传统水处理工艺过程能降低真菌数量，而生物活性炭工艺出水真菌浓度升高

常规水处理工艺能在一定程度减少水中的真菌数量，但并不能将它们全部去除，而生物活性炭滤池中易滋生真菌，导致出水真菌含量升高。Nie等[36]研究了过滤工艺和沉淀过程对水中真菌的控制效能，发现聚凝沉淀工艺对水中真菌的去除率高达91.09%。于鑫团队对比研究了2种混凝剂(硫酸铝和三氯化铁)和3种过滤材料(活性炭、石英砂和陶粒)去除水中真菌(曲霉)的效能，结果发现2种混凝剂对水中曲霉的去除效果良好，去除率高达99.6%，3种不同滤料对水中真菌的去除效率也超过了90%[37]。南水北调受水区北京某水厂采用臭氧和炭砂滤池组合工艺去除有机物时，发现夏季炭砂滤池出水中致病性曲霉含量较高，丰度为5.82%[17]，具有很高的生物风险。此外，王钰等[18]在研究以上海黄浦江为水源的供水系统时，发现所有取样点中均检测到曲霉属和支顶孢属真菌，表明这两种菌属能够穿透现有的水处理工艺，活性炭过滤出水真菌数量和丰富度均较前一工艺有所上升，对饮用水供水安全带来隐患。就目前的研究结果来看，常规饮用水处理工艺过程(混凝-沉淀-过滤)对水中真菌具有一定的控制效果，但不能将其完全去除，而生物活性炭工艺容易滋生真菌，其出水有真菌浓度升高的风险。

3.3 传统消毒方法不能有效控制真菌

丝状真菌因为其特殊结构，较细菌难以被传统消毒方法灭活，特别是真菌生物膜对消毒剂的抗性显著提升，还需要开发更高效安全的真菌消毒控制方法。Pereira等[38]报道了氯对枝顶孢霉、茎点霉、曲霉和青霉等7种真菌的灭活效果，研究发现，真菌较普通细菌更加抗氯，达到80%灭活需要的CT值为60 mg·min/L。Nourmoradi等[39]研究了紫外线(254 nm)对3种曲霉的灭活效果，当真菌初始浓度为1 000 CFU/mL时，失活4-log真菌需要的紫外光强度为12.45～20.75 mJ/cm2，紫外消毒是一种较高效灭活真菌的方法。Marmane-Gravetz等[40]研究发现水中常见的真菌孢子(青霉、曲霉和枝顶孢霉)呈疏水性，在水中容易聚集成团，难以被消毒剂灭活。文刚课题组开展了大量的真菌消毒控制研究，主要包括二氧化氯[41]、臭氧[42]、UV-LEDs[43]、过氧乙酸[44]、太阳光[45]、溴氯海因[46]和高级消毒方法(UV/Cl2[47]、UV/PMS[32]、UV-LEDs/Cl2[47]、PCPs/PMS[48]、PMS/Cl-[49])。研究发现，真菌与细菌相比具有更强的消毒剂抗性，与隐孢子虫的抗性接近(表3)，是因为真菌具有较大尺寸、更强的疏水性和更加丰富的细胞器，且其细胞壁的主要成分为几丁质。消毒方法中，传统消毒剂臭氧和二氧化氯具有较高的控制效能，而高级消毒中UV/Cl2、UV/PMS和PCPs/PMS均表现出较高的协同性，对真菌孢子表现出较好的控制效率。

真菌在水中常以生物膜形式存在，研究发现生物膜对消毒剂抗性增加是一种普遍现象[50]，只有在消毒剂浓度比杀死悬浮态细胞所需浓度高几个数量级时，生物膜中的细胞才会被杀死，并且这种抗性会随着生物膜年龄的增加而增加[51]。Siqueira[52]研究了青霉生物膜的氯灭活特性，发现0.5 mg/L的氯作用30 min不能完全灭活生物膜中真菌，生物膜中的真菌较水中真菌抗氯能力增强。此外，徐向前[41]研究了青霉、木霉和曲霉3种生物膜的二氧化氯灭活特性，发现40 mg/L的二氧化氯仍不能完全灭活生物膜。以上研究发现生物膜中的真菌较水相悬浮态真菌对消毒剂的抗性增强，这主要与真菌胞外聚合物有关。

3.4 管网输配过程真菌容易二次繁殖并形成真菌-细菌复合生物膜

管网输配过程真菌容易二次繁殖并形成真菌-细菌复合生物膜，在水力条件发生变化时脱落进入自来水中，引发真菌生物风险问题。Grabinska-Oniewska等[22]研究了波兰自来水管网的真菌污染状况，发现常规饮用水处理工艺能大幅度降低真菌浓度，但管壁生物膜中真菌浓度却仍然较高，比出水中真菌浓度高1 000～5 000倍，这主要是因为真菌在管网二次繁殖。Doggett[19]首次报道了真菌存在于城市供水系统的生物膜中，丝状真菌的数量在4.0～25.2 CFU/cm2，其中曲霉属和青霉属是生物膜中最常见的真菌种属。研究表明，曲霉属、青霉属、镰刀菌属、链孢菌属、木霉属和枝孢菌属的致病性能通过供水管网传播到住户、牙科诊所和医院等场所[53-55]，具有较高的生物安全风险。

真菌在输水管网中与细菌共存，容易形成真菌-细菌的共生体系，提高了其控制难度[56]。例如，Doggett[19]证明了真菌会在预先生长的细菌生物膜上形成菌落，Del等[57]研究发现，在供水管网中存在稳定的微生物群落，其中假单胞菌、曲霉和交链孢菌等微生物大量存在于底层材料中，支持了真菌-细菌互生互利的关系。供水系统中的真菌-细菌复合生物膜对消毒剂具有更高的抵抗力。

4 供水系统丝状真菌研究还需解决的主要问题

4.1 水中真菌的测定还需要快速的检测方法

测定水中真菌的主要方法包括平板计数法、显微镜直接观察法、液相色谱法、麦角甾醇测定法、定量PCR法和流式细胞仪法等，各方法的优缺点如表4所示。目前，国际上使用最多的仍是平板法(先用滤膜过滤，然后进行平板培养计数)。Pereira等[35]采用6种培养基评估不同培养基对地表水、泉水和地下水中真菌的分离和计数能力，结果表明，DRBC培养基在检测真菌丰度和多样性方面更具有优势。然而，培养法耗时耗力，还存在不能计数活的但不可培养细胞(VBNC)等问题。另外，平板法仅能表征真菌孢子的可培养性，无法判断真菌孢子其他内部结构的损伤。目前，流式细胞仪(FCM)已广泛应用到水处理过程中的细菌表征以及消毒过程中细菌生存能力评估，在真菌孢子检测方面应用很少。文刚课题组利用FCM结合几种荧光染料建立了快速、简便、准确的真菌孢子定量及活性检测方法[58]，并将FCM应用到地下水中常见丝状真菌孢子(曲霉、木霉、青霉等)的消毒评价中[47]，本方法在真菌快速检测和消毒控制中具有很好的应用推广价值。

定量PCR可以进一步定量水中的病原性真菌，比如使用PCR技术鉴定真菌毒素。最早，Geisen[59]开发了一种多重PCR方法，使用引物nor1/nor2、ver1/ver2和omt1/omt2扩增黄曲霉毒素编码基因，并且证明了多重PCR反映黄曲霉毒素和杂色曲霉毒素具有特异性。随着PCR技术逐渐成熟，Passone等[60]利用黄曲霉毒素的生物合成途径nor-1基因序列，设计了扩增引物nortaq-1/nortaq-2，开发了产黄曲霉毒素真菌的PCR分析方法。

各种检测方法均有利弊，应当优化水中真菌检测方法，结合多种检测手段，以便不同地域、国家的研究结果能相互对比与参考。此外，还需要开发易于推广的快速检测方法。

4.2 水中真菌的特定暴发条件还需要深入探讨

真菌在自然界中广泛存在，相对于其他非水体环境(空气、土壤等)及其他水体环境(海洋、湖泊、沼泽等)，真菌在城镇供水系统中的研究开展较少，因为在正常情况下真菌浓度较低，只有在特定的条件会暴发进而引发水质问题。2013年西安某地下水水源地暴发了真菌污染，研究结果发现土壤及地表水中的真菌是地下水中真菌的主要来源，真菌的生长和常规水质指标中总磷、总有机碳存在较大的相关性。说明地下水源中真菌源于地面真菌的输入，降雨及地表水补给影响地下水环境中丝状真菌的数量及种类，有机物是真菌快速暴发的关键性水质指标。本课题组研究发现真菌的生长曲线分为生长延滞期、迅速生长期、衰亡期。营养物质对真菌快速暴发起到关键作用，其中对其生长影响最大的是碳和磷[41]。真菌孢子的生长萌发主要有5个阶段：1)孢子水合和膨胀；2)孢子生理和形态学变化；3)长出芽管，生长极化；4)芽管伸长，顶端生长；5)持续生长，形成菌丝体，黏附形成生物膜[71]。然而，国内外相关研究成果较少，供水系统中真菌的暴发条件还需要深入探讨。

4.3 需要开发丝状真菌的高效安全经济的控制方法

真菌为真核生物，与细菌的细胞结构截然不同，揭示消毒剂对真菌孢子的消毒效果和机理能为真菌控制提供理论基础与科学指导。国内外学者近年已经系统研究了真菌的消毒控制方法、消毒动力学以及消毒机理。真菌较细菌对消毒剂的抗性明显提高，真菌消毒过程主要符合Chick-Watson或者延迟Chick-Watson模型。研究发现：化学消毒方法(主要包括氯、臭氧、二氧化氯)主要是与细胞膜表面的膜蛋白作用，破坏细胞膜完整性，进而导致真菌失活[42]；物理性消毒方法(如低压UV、UV-LEDs)主要与真菌胞内DNA作用，形成嘧啶二聚体，降低孢子的活性[43]；高级消毒方法通过产生活性自由基并诱发胞内ROS水平升高，从而导致孢子整体结构受到破坏而失活[47]。然而，真菌从孢子开始萌发、聚集到最后形成生物膜，真菌生物膜以及细菌-真菌复合生物膜的消毒控制还需要深入研究。另外，真菌孢子及菌丝体本身也是有机体，在消毒过程中胞内毒素的释放及消毒过程消毒副产物的产生规律还不清楚，在消毒研究的同时应该探明消毒副产物的形成规律。所以，开发高效、安全、经济的真菌消毒控制方法仍然是主要的研究方向。

4.4 供水系统中真菌毒素控制还需要深入研究

真菌素会导致人类和其他动物一系列的健康问题，一些真菌毒素具有致癌性并能损害免疫系统。曲霉属、青霉属和镰刀菌属能够产生真菌毒素。黄曲霉可以产生黄曲霉毒素(B2和G2)，于鑫教授团队在饮用水系统中检测到了黄曲霉毒素和伏马菌素[15]。此外，Russell等[72]证明了镰刀菌在饮用水中能产生玉米赤霉烯酮。然而，以往的研究表明水中真菌毒素的含量很低，但在水库、清水池、水箱等长期蓄水的位置，真菌毒素的浓度可能会增加。Paterson等[62]报道了青霉产生的真菌毒素可能会影响生物膜的生长。此外，Hageskal等[2]认为，长期饮用受污染的水，少量的真菌毒素也可能会导致人体的健康问题。Stakheev等[73]报道了单端孢霉烯族毒素会抑制蛋白质的合成并诱导染色体变化。目前，人们对真菌毒素在水环境中的产生及其重要性仍知之甚少，对供水系统中真菌毒素的控制还需要深入研究。

5 城镇供水系统应对丝状真菌的安全保障对策

5.1 水源原位保障

水源中真菌浓度普遍不高，有关水源原位控制真菌的报道很少，但在一些特定时期水中真菌会暴发，引发水质问题。水源中真菌的控制与传统病原微生物控制类似，在水源保护区内严格限制污染物排放，降低水源中的营养物质。水源水库是重要的水源，由于其水流动性差，营养盐含量高，会发生季节性高浊、高藻、有机物超标等问题，增加水中微生物生长所需碳源，降低饮用水的生物稳定性，进而导致微生物大量繁殖。真菌的生长和常规水质指标中TP、TOC存在较大的相关性，有机物是真菌快速暴发的关键性水质指标。混合充氧技术能够原位保障水库水源水质，降低有机物、氮磷浓度，能够降低水中真菌数量并改变真菌种属[74]。地面真菌的输入、降雨及地表水补给影响地下水环境中丝状真菌的数量及种类。对地下水源关键水质指标进行实时监测，制定丝状真菌暴发的应急控制预案并设计相应的处理设施，例如在地下水源井和输水管道上添加消毒剂，可以有效控制地下水源中真菌污染。

5.2 水处理过程保障

现有的城镇饮用水厂处理工艺中，混凝/絮凝、过滤和氯消毒可以有效去除原水中低浓度的丝状真菌污染，但该体系缺乏应对突发性真菌快速暴发的能力，急需开展针对突发性或季节性丝状真菌暴发的应急处理技术研究。另外，对现有处理工艺的优化与提标改造是控制高浓度真菌的重要途径，应在充分了解水源水质特性与变化规律的基础上，强化混凝沉淀技术、过滤技术，研发适用于处理不同形态真菌的优质混凝剂，开发针对不同状态真菌(孢子、聚集态、萌发态、真菌-细菌生物膜)的联合消毒技术。随着高品质饮用水的普及和推广，生物活性炭工艺被广泛应用于饮用水处理厂，然而其出水中真菌浓度会有升高的风险，可以通过炭砂滤池或在活性炭滤池后面增加膜过滤的方法来降低其出水真菌浓度[17]。

5.3 采用高级消毒工艺

相比于其他病原微生物，真菌的控制难度更高，而且能在供水系统中二次繁殖，进而形成生物膜，释放毒素，产生更大的危害。因此，仍需提出新的解决方案来控制真菌及其可能释放的真菌毒素。从真菌消毒角度，研发适用于真菌的高级消毒方法(联合消毒)是解决饮用水真菌污染的重要手段，如UV/Cl2[47]、O3/Cl2[75]等。相比传统的消毒方法，高级消毒方法可以产生活性自由基并诱发细胞内活性氧水平升高，明显提高消毒的效率，高级消毒可以降低氯消毒剂的投加量进而降低消毒副产物的生成量，其中联合消毒将是供水厂未来消毒的重要发展方法。

5.4 管网输配过程保障

穿透水处理过程的真菌孢子(主要为子囊菌门的真菌孢子)在管网输配过程会萌发出菌丝，在管壁或与其他颗粒物结合，进一步发展成为更难控制的生物膜，生物膜脱落后通过自来水可能被人体直接吸收，或者间接地通过吸入淋浴喷头产生的气溶胶等方式吸收。因此，与水源水和饮用水厂相比，输配水管网对真菌污染防治有更高的要求。首先，切实做好输配水管网健康稳定运行，科学监测，保证管网具有充足的消毒剂，如氯胺对生物膜(特别是真菌生物膜)具有更好的穿透性，控制真菌效果更好，也可以利用管道腐蚀产物作为天然催化材料与常用消毒剂结合进行管道清洗(PCPs/PMS，PCPs/PAA等)[61]；其次，应当保持管网合适的可同化有机碳(AOC低于80～100 μg/L)，降低真菌的再生长潜力[76]；最后，二次供水的设备或水箱要及时清理和消毒，避免真菌的二次繁殖，恶化水质[15]。

6 结语

丝状真菌在城镇供水系统中广泛存在，会对人体健康带来许多危害，包括产生嗅味、引发毒性和过敏反应、增加消毒副产物前驱物等，然而丝状真菌常被认为不会引起急性疾病，因而饮用水中真菌污染问题还未受到足够的重视。但是，供水系统中的真菌会对免疫力低下的人群影响很大。

真菌是具有完整的细胞结构的真核生物，细胞尺寸较大，往往在10～100 μm，真菌具有更大、更完整且结构复杂的细胞核，相对细菌而言，其检测和消毒控制都更加困难，在富含有机物、总磷的水体中容易暴发，需要引起重视。

不同水源中均能频繁检测出丝状真菌，地表水通常具有更高的检出率和浓度。传统水处理工艺过程能降低真菌数量，而深度处理工艺生物活性炭出水真菌浓度升高，具有很高的生物风险；传统氯消毒不能有效控制水中真菌，管网输配过程真菌容易二次繁殖并形成真菌-细菌复合生物膜，有可能进入自来水中，引发真菌生物风险问题。

目前，供水系统中真菌污染的研究还处于初级阶段，还有很多问题有待进一步研究。水中真菌的测定还需要快速的检测方法，不同地域供水系统中真菌的暴发条件还需要深入探讨，开发高效、安全、经济的真菌消毒控制方法仍然是主要的研究方向，对真菌毒素在水环境中的产生及其重要性仍知之甚少，对供水系统中真菌毒素的控制还需要深入研究。

同时，还需要建立相应的应急保障技术体系，预防丝状真菌大量暴发恶化供水水质。从水源、水厂、联合消毒、管网等方面保障供水安全，建立多单元协同控制丝状真菌污染的多级屏障体系，是控制供水系统真菌污染的重要途径。

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Filamentous Fungi: New Challenge and Safety Control of Biological Risk in Urban Water Supply System

WEN Gang1,2, WU Gehui1,2, WAN Qiqi1,2, CHANG Baochun1,2, XU Yuanyuan1,2, HUANG Tinglin1,2

(1.Northwest China Key Laboratory of Water Resource and Environment Ecology, School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China;2.Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China)

Abstract Filamentous fungi are eukaryotes with complete cellular structure, including both single-cellular spores and multi-cellular fungal mycelium. Fungal contamination is widespread in urban water supply system, which will cause serious human health risks and water pollution problems. However, because fungi do not cause acute illness, the problem of fungal contamination in drinking water has not received enough attention. However, fungi present in drinking water may cause severe fungal infections in immunosuppressed old man and children. Filamentous fungi can be frequently detected in different water sources. Traditional water treatment process can efficiently reduce the number of fungi, however the fungal concentration in the effluent of advanced treatment biological activated carbon increases, which has a great biological risk. Traditional chlorine disinfection cannot effectively control waterborne fungi. In the process of water distribution, fungi are prone to second propagation and enter the consumers' tap water, causing fungal biological risks. At present, the research on fungal contamination in water supply system is still in the primary stage, and there are still many problems to be further addressed. Rapid detection method, rapid outbreak conditions, efficient disinfection methods and mycotoxin control strategies in water are the main research direction. It is necessary to prevent filamentous fungal contamination from the aspects of water source, water plant, combined disinfection, pipeline network, etc., and to establish a multi-unit barrier system for cooperative control of fungal contamination to ensure the safety of water supply system.

Keywords urban water supply system filamentous fungi research status development trend security measures

文刚, 吴戈辉, 万琪琪, 等. 丝状真菌——城镇供水系统生物风险和安全保障的新挑战[J]. 净水技术, 2022, 41(3):1-11，19.

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中图分类号： X172；TU991

文献标识码： A

文章编号： 1009-0177(2022)03-0001-12

DOI： 10.15890/j.cnki.jsjs.2022.03.001

[收稿日期] 2022-01-20

[基金项目] 国家自然科学基金(51678472、51978557)；陕西省杰出青年科学基金(2018JC-026)；陕西省重点研发计划(2020ZDLSF06-05)；陕西高校青年创新团队

[作者简介] 文刚(1983— )，男，教授，博士生导师，主要研究方向为饮用水生物污染控制，E-mail：hitwengang@163.com。

文刚，西安建筑科技大学教授，博士生导师，《净水技术》青年编委。宝钢优秀教师奖获得者，陕西省“特支计划”青年拔尖人才，陕西省首批杰出青年基金获得者，陕西百名优秀青年科技新星。主要研究方向为饮用水水源水质安全保障、饮用水高级氧化与消毒技术。共发表学术期刊论文100余篇，SCI收录论文50篇，授权发明专利9项，合著学术专著1部，参编《水工艺设备基础》(第三版)，主编《农村生活供水建设技术指南》。获得中国产学研合作创新成果奖二等奖，陕西省技术发明二等奖。