肠道病原体在污水处理和回用中的分布及衰变过程研究

摘要

水环境的病原性污染是全世界危害最严重的问题之一，研究水体的病原性污染对人类健康和环境安全保障具有重要意义。现有标准或规范中涉及的指示细菌并不足以反映水环境中病原体的真实存在情况，正确评价水质的安全性需关注病原体的污染情况。肠道病原体作为水环境中的病原体重要部分，主要来源于人畜粪便等排泄物污染的生活污水，在各种环境水体中普遍存在，且可存活较长时间，对人类健康造成很大的威胁。因此，建立肠道病原体快速、高效的检测方法，研究环境水体的肠道病原体污染迫在眉睫。随着分子生物技术的不断发展，定量PCR方法以快速、准确和灵敏度高等特点为病原体的检测提供了技术手段。因此，利用分子生物学手段，研究环境水体的病原体污染及病原体在污水处理过程中的迁移和衰减对病原体污染的预防和控制具有重要意义。 本论文是国家自然科学基金重点项目的部分研究内容。本论文以沙门菌、志贺菌、肠道病毒、人类星状病毒、轮状病毒和诺如病毒为目标病原体，建立了肠道病原体的定量PCR检测方法，并评价了方法的可靠性和实用性。应用建立的肠道病原体检测方法，监测了生活污水中几种肠病毒的浓度并分析了肠病毒的污染特性。此外，本文结合某实际污水再生与循环利用系统，研究了肠道病原体在不同来源污水中的分布特性，分析了 A2/O-MBR系统各处理单元对指示细菌、致病菌和病毒的去除特性，研究了再生水循环利用过程中病原体的二次污染问题。论文的主要工作和成果如下： （1）通过比较不同的病毒浓缩方法，确定了对生活污水、二级出水、黑水、灰水、厨房废水、A2/O出水等水样采用PEG沉淀法进行病毒浓缩，并确定了各类水样的病毒回收率；对景观湖水和MBR出水采用0.22μm滤膜的膜吸附-洗脱法和PEG沉淀法进行两次浓缩，并确定了病毒回收率。通过比较不同滤膜孔径对细菌的浓缩，确定了对生活污水、黑水、灰水、厨房废水等水样采用0.45μm的膜吸附-洗脱法浓缩，并确定各类水样中细菌的回收率；采用0.22μm的滤膜浓缩二级出水、A2/O出水、景观湖水和MBR出水等水样中的细菌，并确定各水样的回收率。 （2）将巢式PCR的高灵敏性与定量PCR的精确性有效结合，建立了三种主要HFMD病毒（EV71、CVA16和CVA10）的半巢式PCR和实时定量PCR方法。该方法灵敏度高，重现性好，可对环境水体中EV71、CVA16和CVA10病毒进行准确检测。同时，还确立了沙门菌、志贺菌、人类星状病毒、诺如病毒的SYBR Green荧光染料实时定量PCR方法和肠道病毒和轮状病毒的TaqMan探针实时定量PCR方法检测方法。 （3）对三个污水处理厂的进水和二级出水进行为期一年的监测，研究结果表明肠道病毒、轮状病毒和诺如病毒在进水中主要分布在102~104copies/mL，人类星状病毒浓度略高，分布在103~104copies/mL；二级出水中除人类星状病毒分布在103 copies/mL，其他病毒浓度约为102 copies/mL。生活污水中的病毒呈现明显的季节分布：肠道病毒浓度在秋季最高，三种HFMD病病毒的最高检出率均在春季，人类星状病毒和轮状病毒浓度在冬季最高，诺如病毒在春季和夏季的浓度较高。肠病毒在不同的季节分布规律不同：春季人类星状病毒浓度最高，夏季人类星状病毒和诺如病毒浓度较高，秋季肠道病毒浓度最高，冬季人类星状病毒和轮状病毒浓度较高。研究结果揭示了病毒的分布特性与研究地区的临床流行病学特性相似，统计学分析验证了肠病毒的浓度分布服从对数正态分布特性。 （4）研究了三种不同来源污水中（黑水、灰水和厨房废水）指示细菌、致病菌和病毒的分布情况。黑水中粪大肠菌群浓度为104 copies/mL，E. coli浓度为103 copies/mL，病原菌浓度约101 copies/mL，病毒约为103 copies/mL。不同来源污水中病原体浓度差异较大，黑水中病原体浓度比灰水和厨房废水中高约2个数量级。与污水处理厂混合污水比较，发现黑水污水中病原体的主要来源，且病原体在收集和运输过程中出现了再生繁殖。 （5）研究了指示细菌（粪大肠菌群和 E. coli）、致病菌和病毒在 A2/O-MBR处理系统的迁移衰变特性。细格栅处理对微生物的去除作用微弱，去除率仅为0.2-log~0.4-log。传统活性污泥工艺对指示细菌、致病毒和病毒的去除效率接近，约为1.4-log~1.7-log；A2/O-MBR工艺对指示菌和病原体的去除效果明显，浓度和检出率大幅度降低。粪大肠菌群、E. coli、致病菌和病毒呈现不同的去除率，粪大肠菌群去除率约为6-log左右，E.coli去除率4-log左右，致病菌和病毒去除率在2-log~3-log范围内。MBR出水经氯消毒后未检出病原体，0.7mg/L的余氯保障了消毒后处理水的微生物安全性。 （6）通过对景观湖中病原体的检测，揭示了再生水调节与景观利用过程中景观湖水受到了肠道病原体的二次污染。除粪大肠菌群未检出，景观水体中 E. coli和病原体均可检出，且E. coli、沙门氏菌和肠道病毒检出率较高，肠道病毒浓度略高，其他病原菌和病毒浓度相当，各微生物浓度均服从对数正态分布。猜测景观水体中的病原体可能来自于非粪便的面源污染，如气溶胶、降雨、湖底淤泥释放等，而高温和日光照射等自然环境条件对病原体有一定的净化作用。

目录

声明

主要缩写词与英文对照汇总表

1 绪论

1.1 水环境的病原体污染

1.2 病原体在水环境中的存活特性

1.3 水中病原体的检测技术

1.4 水中病原体污染控制与评价技术的研究进展

1.5 课题研究概述

2 水中病原体浓缩方法的确立

2.1 试验材料与方法

2.2 水中病毒的浓缩

2.3 水中细菌的浓缩方法

2.4 小结

3 水环境中病原体定量PCR检测方法的建立

3.1 目标病原体的确立

3. 2 三种主要HFMD病毒半巢式PCR和定量PCR方法的建立

3. 3 肠病毒定量PCR检测方法的确立

3. 4 肠道病原菌定量PCR检测方法确立

3. 5 小结

4 城市生活污水中肠病毒的分布特性研究

4.1 污水厂选择与水样采集

4.2 肠病毒在污水厂进水和出水中的分布特性

4.3 肠病毒的季节变化规律

4.4 小结

5 肠道病原体在污水再生与循环利用系统中的迁移衰变过程研究

5.1 污水再生与循环利用系统

5.2 肠道病原体在污水再生处理过程中的迁移衰变过程

5.3 再生水调节与景观利用过程中的肠道病原体二次污染

5.4 小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

6.3 创新点

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文