人类通过对水处理技术的不断革新,降低水中各种有害物质的含量,并利用完善的市政给水系统,为居民提供安全的生活用水,这被认为是20世纪10个最伟大的工程成就之一。经过数十年的发展,如今市政给水系统日臻完善,用水安全得到进一步保障,但这并不代表我们的饮用水完全安全,事实上,仍有少数能够较好适应贫营养环境且常规水处理工艺非常难以杀灭的致病微生物在给水系统中增殖,并通过给水系统传播,非结核分枝杆菌便是其中一种,成为影响公众用水安全的隐患。目前,我国对生活用水中非结核分枝杆菌的研究较少,《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)^[1]尚未将其列入。

　　 非结核分枝杆菌(Non-tuberculous mycobacteria,NTM,也被称为环境分枝杆菌或非典型分枝杆菌),是除导致结核的结核分枝杆菌复合群MTC(Mycobacterium Tuberculosis Complex)、导致汉森氏病(或称麻风病)的麻风分枝杆菌(M.leprae)以外的分枝杆菌,种类繁多,至今已发现150余种^[1]。分枝杆菌分为慢速生长型(slow-growing)、快速生长型(fast-growing)两种类型,它们是不具有运动性(non-motile)、不产孢子(non-spore-forming)、需氧、抗酸且大小为0.2~0.6μm×1~10μm的杆菌^[3]。最常见的致病非结核分枝杆菌以快速生长型分枝杆菌为主^[4],包括鸟分枝杆菌(M.avium)^[5]、胞内分枝杆菌(M.intracellulare)^[6]、戈登分枝杆菌(M.gordonae)^[7]等。

　　 非结核分枝杆菌与结核分枝杆菌不同,非结核分枝杆菌并不能通过人-人传播,主要途径是通过环境接触感染,传播的最主要媒介是水,从传播源来讲,自然水体、给排水管网系统均是造成健康人体感染非结核分枝杆菌的源头^[8],由于日常生活中人们直接接触给水管网供给生活饮用水的几率远大于其他水源,因此给水管网的非结核分枝杆菌污染问题应引起注意。

　　 非结核分枝杆菌病是由非结核分枝杆菌感染引起的疾病,患病后,患者表现出和常见肺炎十分相似的症状,在临床很难有效区别^[3],这也是给水系统中非结核分枝杆菌一直没有引起广泛重视的主要原因之一。早在20世纪80年代,美国医务工作者就发现医院艾滋病患者会莫名出现支气管炎、发烧等类似感冒的症状。随后,不少学者在患者体内和所在医院给水系统中分离出了具有相同DNA指纹图谱的非结核分枝杆菌,从而才引起了发达国家学界对给水系统中非结核分枝杆菌的深入研究。

　　 随着研究的深入,很多研究者在居民生活用水中也检测出了非结核分枝杆菌,相对于医院住院患者(尤其是住院艾滋病患者),普通居民对非结核分枝杆菌的抵抗能力更强,因感染非结核分枝杆菌患病的几率较低,一直以来没有引起广泛的关注。然而,非结核分枝杆菌对身体健康的人群仍存在一定的致病风险:经过测算,每10万人中,就有15~30人感染了分枝杆菌成为分枝杆菌的携带者^[10],一旦身体抵抗能力下降,这些携带非结核分枝杆菌的人群就很有可能发病,虽然非结核分枝杆菌发病率只是结核病的10%左右,但是由于临床表现酷似肺结核,在诊断上有一定难度,预后也比较差^[9],其对用水者健康是一种非常危险的潜在威胁。近数十年来,随着人口老龄化的进一步加剧,非结核分枝杆菌病的患病率有增长趋势,越来越多的学者将目光投向了给水系统中的非结核分枝杆菌的研究。

　　 非结核分枝杆菌广泛存在于自然界,土壤、尘埃、人畜粪便等均有分离出非结核分枝杆菌的报告^[11]。非结核分枝杆菌通过环境接触感染人类,其中最主要的传播媒介是水,而水是维系日常生产生活最重要的要素之一。研究给水系统非结核分枝杆菌的重要性可见一斑。

　　 很多给水厂原水都含有非结核分枝杆菌,非结核分枝杆菌在原水中的含量与原水的浊度存在相关性,浊度高的原水中非结核分枝杆菌检出率也相应较高。经过水厂的各项工艺处理,通过大幅度降低浊度与可同化有机物含量,配合有效的消毒措施,非结核分枝杆菌在水厂处理前后检出率通常有明显下降^[12,13]。

　　 给水管道系统中生物可同化有机物含量很低、管网余氯对微生物也存在抑制和杀灭作用,对于一般的微生物而言很难在管网中增殖,此外,非结核分枝杆菌生长缓慢,自身的繁殖能力不足以抵消给水系统中水流的稀释作用,然而,经过管网输送的饮用水相对于出厂水而言,非结核分枝杆菌的被检出率普遍有所增加。各国对市政给水系统非结核分枝杆菌检出率的统计结果见表1。

　　 不同建筑类型二次供水系统中非结核分枝杆菌的调查情况见表2。

　　 根据各国学者对建筑给水系统的取样检测结果,非结核分枝杆菌的检出率普遍较高,部分二次供水系统中非结核分枝杆菌的检出率甚至在50%以上。考虑到分枝杆菌培养过程中因其生长周期长而伴随的严重杂菌感染问题从而导致检出率偏低的情况^[15~17],这样的检出率意味着在多数市政给水系统和建筑给水系统内部可能均存在大量非结核分枝杆菌。

　　 此外,有研究者针对建筑热水系统中非结核分枝杆菌进行了调查^[27],调查显示在建筑热水系统末端(如淋浴喷头和水龙头)处取得的水样的非结核分枝杆菌细菌浓度相较管网更高(给水系统分枝杆菌细菌浓度69CFU/L,洗浴用水分枝杆菌细菌浓度290CFU/L)。

　　 在从水源地到用水者之间的输水过程中,非结核分枝杆菌表现出了极强的繁殖能力。

　　 出厂水在给水管网中非结核分枝杆菌的大量增殖与其富含由长链分枝菌酸构成的脂质的疏水性细胞壁有关^[28]。这种细胞壁特性令非结核分枝杆菌具有几种典型的特点。

　　 非结核分枝杆菌的耐药性来自两个方面,其一,疏水性细胞壁使分枝杆菌对管道壁面有更强的表面吸附能力,从而更容易形成生物膜。因为生物膜由微生物聚集形成,消毒剂很难穿透外层微生物有效抑制内层微生物繁殖,因此生物膜中的细菌表现出对消毒剂更强的耐药性。其二,非结核分枝杆菌表面疏水性较强,极性消毒剂不易进入到非结核分枝杆菌内部。

　　 疏水性细胞壁限制了水溶性营养成分的运输,使得分枝杆菌的世代时间很长,而即使是快速增长型分枝杆菌,其增殖速度也明显慢于其他多数细菌。世代时间较长带来的优势是对营养物质的依赖性较低,因此可以在微量有机物含量环境下生存。在营养丰富的环境中,分枝杆菌经常处于竞争劣势,然而,在人工环境无意的选择作用下(贫营养环境,如给水管网系统),非结核分枝杆菌的这种特性凸显出来,使其在给水管网中生存、繁殖^[29]。有研究者通过模拟给水管网环境发现,可同化有机物含量达到50μg/L即可以从管壁生物膜中分离出分枝杆菌^[31],而在这种营养环境下,多数致病微生物都不能正常增殖。

　　 综合以上两点,即使分枝杆菌在实验室培养环境下增殖很慢,相较于其他细菌竞争力很低,但它在给水系统中表现出很强的适应性。

　　 除细胞壁特性使然外,分枝杆菌还与军团菌(Legionella pneumophila)一样,能够通过寄生在一些原生动物体内(如阿米巴虫)^[30],从而在恶劣的环境中增殖。同时,非结核分枝杆菌的适宜生存温度范围也很广,在10~60℃的水温环境下均可以进行增殖^[29]。

　　 分枝杆菌的各项特性及在给水系统中表现出来的特点总结见表3。

　　 给水系统非结核分枝杆菌的传播途径包括:吸入感染、创伤感染、吞咽感染,其中,吸入感染是非结核分枝杆菌传播的主要途径。

　　 吸入感染是给水系统中非结核分枝杆菌最主要的传播途径,主要发生在高温高湿的洗浴环境下,其介质是含有非结核分枝杆菌的气溶胶。

　　 理疗池等具有按摩功能的洗浴设施会产生大量气泡,由于非结核分枝杆菌自身疏水特性,易于依附在水中泛起的气泡表面,当气泡在水面破裂的时候,非结核分枝杆菌借助飞溅的小液滴便可以进入空气环境。研究显示,空气与浴池中非结核分枝杆菌浓度存在相关性^[32]。

　　 与之相似,淋浴也会产生大量含有非结核分枝杆菌的小液滴:含有非结核分枝杆菌的淋浴水由重力下落并在接触面四散开,漂浮在湿润环境下从而具备吸入人体令患者患病的条件。

　　 有研究显示,在这些洗浴过程中产生的小液滴中非结核分枝杆菌的浓度甚至可以达到水中非结核分枝杆菌浓度的1 000~10 000倍之多^[33]。一些小液滴的直径小到足以令其漂浮在空气中形成气溶胶。借助湿润的环境,这些小液滴可以在空气中漂浮很长时间,最终通过呼吸系统侵入人的肺泡内。非结核分枝杆菌的吸入传播和非结核分枝杆菌病症有直接的关系。过敏性肺炎就是由浴池中鸟分枝杆菌(M.avium)感染引起的一种肺部疾病。

　　 以往的研究认为正常的免疫系统保护下,非结核分枝杆菌对人体不会构成健康威胁,现在越来越多的研究指出,长时间暴露在被非结核分枝杆菌污染的气溶胶环境下,即使是健康的人体也可能因吸入过多非结核分枝杆菌而患病^[34]。

　　 主要原因是受伤、皮肤擦伤或手术途中接触非结核分枝杆菌导致致病菌侵入人体从而患病,创伤感染非结核分枝杆菌主要发生于医院,主要原因是因为现有手段很难完全杀灭水中的分枝杆菌,从而令其从创伤面侵入患者体内引发感染。法国某医院就曾因自来水被蟾蜍分枝杆菌污染导致大面积脊髓手术感染的医疗事故^[35]。除手术外,支气管镜检、透析等诊断、治疗手段都有可能通过破损皮肤将给水系统中的非结核分枝杆菌带入患者体内。

　　 由于接受手术后一段时间内患者往往比较虚弱,人体的免疫机能会有很大程度的下降,一旦因给水系统分枝杆菌感染引发相关的疾病,药物治疗成效通常不显著^[36],这对患者来说是非常大的潜在风险。因此对医院给水系统中非结核分枝杆菌应引起足够的重视。

　　 吞咽感染的感染源较难确定,但是目前广泛认同吞咽感染是传播非结核分枝杆菌的途径之一。饮用含有非结核分枝杆菌的水有可能导致感染非结核分枝杆菌。

　　 国际水协在2004年编写的关于水中分枝杆菌的报告^[37]中总结了一些非结核分枝杆菌病例的致病源调查,见表4。可见,洗浴和手术是非结核分枝杆菌传播的主要方式,两种方式分别代表了吸入感染和外伤感染两种重要的给水系统非结核分枝杆菌传播途径。

　　 值得注意的是,由于非结核分枝杆菌侵入人体内通常不会立即发病,而是待人体免疫系统功能下降后才会表现出症状,因此追溯病源的过程会遇到很多困难,具体的传播途径包括但不限于以上几种。

　　 非结核分枝杆菌在给水系统中如此常见,它对人群也存在一定的潜在致病风险,是影响用水安全的一个很重要的因素。然而在这种情况下,目前还没有国家将分枝杆菌列入生活用水水质标准,主要原因来自于分枝杆菌自身特点带来的检测和抑制、杀灭难度。

　　 细菌培养是检测与菌种鉴定最基础的工作。由于常见的致病非结核分枝杆菌(鸟-胞内分枝杆菌等)多为慢速生长分枝杆菌,菌落形成甚至需要1~2个月的时间^[1],而即使是快速生长的分枝杆菌,因为疏水的细胞壁,其菌落形成速度也要相对慢于很多其他细菌,因此分枝杆菌的培养十分消耗时间,目前广泛采用的较为先进的BACTEC 960快速培养技术虽大大压缩了细菌培养时间,仍需要3周左右才可以进行菌种鉴定。长时间的培养令非结核分枝杆菌的培养过程中杂菌感染的问题十分严重,很大程度上影响了检测的准确性。分枝杆菌的培养是研究分枝杆菌过程中举足轻重的一个重要组成部分,然而在近50年中,去除杂菌污染的手段却没有大的改变;另一方面,分子技术也需要依赖纯培养物才能大展拳脚。如何有效排除杂菌因素,并从含有分枝杆菌的水样中分离出单株分枝杆菌是困扰学界多年的问题。

　　 生化法是鉴定非结核分枝杆菌的传统方法,主要通过于目的菌株生化特性的识别确认菌种。由于不同的非结核分枝杆菌的生长速度不同,对培养基、pH、温度、二氧化碳浓度等培养环境需求也不尽相同,加之非结核分枝杆菌培养杂菌污染严重的问题,生化法对试验各项环节、操作者的熟练程度、经验有着很高的要求,正因如此,生化法的不确定度较大。

　　 挑取菌落,提取DNA,借助PCR对DNA分子进行扩增到可以检测的数量级,再通过检测分枝杆菌DNA序列的特异性标志从而达到检测分枝杆菌是否存在于水样中的目的,目前主要针对16SrRNA片段进行测序达到检测的目的。通过这种方法,分枝杆菌的检测时间可以从数周压缩至数小时。

　　 通过用带有标记的目的细菌DNA片段作为探针,穿透细胞壁并和细菌DNA特异性结合,显影后在显微镜下观察,从而进行菌种的检测和鉴定。这种检测方法对其他细菌都十分有效,但是在分枝杆菌检测时却有灵敏度偏低的问题。这可能是亲水性的探针无法有效穿透分枝杆菌疏水性细胞壁进入细胞内部的原因。目前有研究通过利用肽核酸探针(Peptide Nucleic Acid,PNA)检测分枝杆菌的技术,肽核酸探针相对于亲水探针可以更有效地穿透分枝杆菌的细胞壁从而提高了检测灵敏度^[39]。

　　 分子技术受限于人类对分枝杆菌的认识,目前尚有许多分枝杆菌尚未被人类所认知。借助世界各国分枝杆菌全基因组测序研究的开展,截至2002年的9月,4种分枝杆菌基因组已经被完整测序,还有7种分枝杆菌的全基因组测序还在进行中^[37],这些研究无疑将会帮助人类更加深入地认识分枝杆菌,从而对分枝杆菌的检测和鉴定迈出革命性的一步。

　　 由于非结核分枝杆菌具有特殊的细胞壁,它对常见的消毒剂都有很强的耐药性。有研究显示,相对于大肠杆菌,分枝杆菌对自由氯的耐受性是大肠杆菌的800余倍,一氯胺耐受性是大肠杆菌19倍,二氧化氯耐受性是大肠杆菌675倍。0.15mg/L的余氯对分枝杆菌的繁殖几乎没有影响,当余氯含量达到1.0mg/L并持续8h才可以有效杀灭大多数非结核分枝杆菌,而附着在PVC管壁上的龟分枝杆菌(M.chelonae)和脓肿分枝杆菌(M.abcessus)甚至能够在10~15mg/L余氯含量环境下增殖。考虑到国标要求出厂水余氯限值4mg/L^[1],以及余氯含量过高对人体的危害性,通过常规的氯消毒完全杀灭分枝杆菌几乎不可能,更何况有新闻报道我国一些地区管网余氯含量还不能达到国家标准对管网余氯要求的下限。

　　 铜银离子抑菌技术曾被用于抑制医院给水系统中的军团菌,军团菌同非结核分枝杆菌一样,可以在给水系统中繁殖,且同样更容易在热水系统中繁殖。然而根据Lin等^[40]的研究结果显示,0.1~0.8mg/L的铜离子或0.01~0.08mg/L的银离子浓度条件下,相对于给水系统中常见的军团菌,分枝杆菌需要100倍的接触时间才能达到和军团菌相同的杀灭效果。

　　 分枝杆菌对紫外线也有很强的耐受性^[41]。有研究显示,杀灭99.99%鸟分枝杆菌的UV剂量比目前已知所有致病细菌所需要的剂量都要高。因此采用紫外线对给水非结核分枝杆菌进行杀灭并不现实。

　　 有学者提出利用非结核分枝杆菌的疏水性减少水中非结核分枝杆菌数量的设想。由于分枝杆菌的细胞壁具有高度疏水性,因此通过利用正十六烷等有机溶剂,将水中非结核分枝杆菌俘获,并从水中去除,这种方法几乎可以去除水中所有的非结核分枝杆菌(99.99%)^[28]。但是由于操作步骤繁琐、处理能力小,工程实用性差,未见其在给水系统中投入实际应用。

　　 由于分枝杆菌对各种物理、化学杀灭方法相较于其他给水系统致病菌都有很强的耐受性,目前,还没有一种针对二次供水系统非结核分枝杆菌十分有效的杀灭方法。

　　 值得注意的是,一些学者^[42]提出利用常规手段(氯消毒、臭氧、UV等)抑制或杀灭非结核分枝杆菌等给水系统异养菌的方向是值得商榷的。以非结核分枝杆菌为例,由于各种常规的水处理手段对其并不十分有效,假若想利用余氯抑制非结核分枝杆菌在给水管网中的增殖就需要提高投药量,在合理的投药量下并不能完全杀灭非结核分枝杆菌,仅起到一定抑制作用,然而投药量的提高却杀灭了给水系统中绝大多数与非结核分枝杆菌竞争的微生物,这使得给水系统中残留的可同化有机物皆为非结核分枝杆菌占据,更进一步地促进了它的增殖,从而放大了用水安全问题。针对越来越严重的给水系统异养菌问题,究竟应该采用何种方法对其进行有效的抑制和杀灭,尚待进一步研究和论证。

　　 就目前技术水平来讲,通过某种技术高效杀灭给水系统非结核分枝杆菌并不可行,因此只能通过对给水系统水源到用水末端全过程全方位的管控来达到抑制非结核分枝杆菌的目的。其中包括给水管网优化设计、管道材料的选择、给水管网的维护、保证管网末端余氯含量达标、提高热水系统水温等几方面。

　　 由于死水区水流缓慢,更容易滋生生物膜,因此给排水设计人员应极力避免给水系统设计中出现死水区。

　　 相对于铸铁管道,PVC、铜材质管道能够更有效抑制非结核分枝杆菌的增殖,这种抑制效果主要来自于不同材料管道抵抗腐蚀能力的不同从而表现出对管壁生物膜的抑制。铸铁管道由于腐蚀作用的存在,表面凹凸不平,这种坑洼的管壁表面使各种给水系统微生物更易于形成生物膜从而在给水系统内部繁殖。相对于铸铁管道,PVC和铜管道具有更强抵抗腐蚀的能力,光滑的表面抑制了生物膜的形成。

　　 对渗漏问题、腐蚀问题严重的管段进行更换。管道渗漏可能造成土壤中可同化有机物进入给水系统从而成为给水系统微生物繁殖的营养来源。此外,被腐蚀的管道壁面容易形成生物膜使生物繁殖,因此也应尽量避免。

　　 虽然非结核分枝杆菌对水中消毒剂有极强耐性,但余氯可以在一定程度上抑制非结核分枝杆菌的繁殖,从而降低用水者感染非结核分枝杆菌的风险。

　　 非结核分枝杆菌耐高温,但是当水温在60℃以上的时候其增殖开始受到抑制,由于建筑热水系统往往是非结核分枝杆菌的主要增殖场所,因此提高热水系统的水温对降低非结核分枝杆菌致病风险有很重要的意义。

　　 随着世界人口老龄化问题的进一步加剧,人群整体免疫水平在不断下降,在这种趋势下,一直潜伏在市政、建筑给水系统中的非结核分枝杆菌却在给水系统中增殖,并通过给水管网系统,随生活用水源源不断输送给千千万万用水者,威胁着越来越多人的健康。

　　 与此同时,它独特的细胞结构令针对非结核分枝杆菌的培养、检测、鉴定、抑制、杀灭的各项研究都遇到比其他致病菌研究多得多的困难。非结核分枝杆菌在给水系统中的大量繁殖的同时,我们又缺少有效杀灭的方法,这种矛盾给用水安全带来很大风险。

　　 尽管如此,我们仍有理由相信在全世界科研人员的努力下,未来可以通过技术的进步,攻破非结核分枝杆菌的各项难题,彻底排除给水系统中的非结核分枝杆菌带来的健康威胁,为每一个用水者提供更加安全、可靠的生活用水。