环境管理_水的卫生细菌学

第八章水的卫生细菌学 第一节水中的细菌及其分布 卫生细菌学 涉及饮水卫生的细菌学知识内容包括饮用水中致病微生物的检验方法和控制方法 水包括雨雪水 河流湖泊水 地下水 海水 一 雨雪中的细菌分布 种类 数量 与空气 地面的洁净程度有关空气新鲜的高山或乡村所下的雨 雪中细菌很少 工业区或城市的雨 雪水中细菌较多 同时雨雪中末期中的细菌数量小于初期的细菌数量 地面为水泥地面较土壤对于雨雪的细菌污染要少得多 由于雨雪中的其它污染物很少 偏远的缺水地区收集水泥地面雨雪水用于饮用在卫生细菌学方面而言是可行的 二 河流 湖泊水 种类 与污染源有着密切的关系数量 决定于水中的各种营养物浓度 环境影响因子例如 受到医院污水 垃圾污染的 病原菌数量将会很大 受到农业土壤污染的藻类数量将会猛增 由于细菌不喜欢阳光 好附着在固体上 因而水底和岸边的细菌数量高于水面和河 湖中央的细菌 三 地下水四 海水 种类 数量 很少在深层的地下水中甚至会没有细菌 因此地下水是最为理想的饮用水源 原因 土壤过滤淡水中的细菌的数量多少并不能完全决定饮用时的卫生安全程度 只有能引起疾病的病原菌数量多少才直接决定饮用时的安全 种类 嗜盐细菌以及一些耐低温 高压的特殊细菌 没有病原细菌普通海水中由于含盐量很高 一般为3 2 4 淡水类的细菌不能生存 其中都是一些因此淡化海水在卫生方面是可靠的 第二节水中的病原细菌 水中的细菌只有很少的一部分是致病菌 致病菌必须经由特定的途径进入人体 才会引起疾病 如破伤风梭菌侵入伤口会引起破伤风 而吞入则不发病提问 为什么 这主要是由于它们各自特殊的习性 人体不同器官的微环境不同所致 水中病原菌主要是经水传播并需由消化道传染 一 伤寒杆菌 病症 伤寒或副伤寒 表现 持续发烧 牵涉到淋巴组织 脾脏肿大 躯干上出现红斑 胃肠壁溃疡产生腹泻 伤寒沙门氏菌 一 生理生态 种类 伤寒沙门氏菌 副伤寒沙门氏菌和乙型副伤寒沙门氏菌 大小 0 6 0 7 2 0 4 0um特征 不生芽孢和荚膜 周生鞭毛 革蓝氏阴性反应 加热到60 30min可以杀死 对5 石炭酸 可抵抗5min 二 致病机理 通过内毒素致病内毒素是其细胞壁的成分 化学成分为脂多糖 当细菌死亡分裂时会释放到环境中 二 痢疾杆菌 痢疾杆菌可引起细菌性痢疾 与阿米巴痢疾不同 症状为急性腹泻 通常大便中有血及粘液 某些病例中有发烧 1 生理生态种类 痢疾杆菌 痢疾志贺氏菌 副痢疾杆菌 痢疾杆菌加热到60 能耐10min 对1 的石炭酸 可抵抗半小时 传播方式 食物和饮用水电镜照片使用的是结晶紫单染色 若革兰氏染色则为阴性红色 二 致病机理三 霍乱弧菌 大致与伤寒杆菌类似 只是痢疾杆菌内毒素主要损害了人体肠道细胞 引起肠道痉挛 腹泻等症状 病症 霍乱症状 轻型病例中 只造成腹泻 在较严重或较典型的病例中 除腹泻外 症状还包括呕吐 米汤样 大便 腹疼和昏迷等 病程短 严重的常常在症状出现后12h内死亡 一 生理生态 形态 微弯曲杆状大小 0 3 0 6 1 0 5 0um 特征 一根较粗的鞭毛 革兰氏阴性反应 没有荚膜与芽孢 在60 下能耐10min 在1 的石炭酸中能抵抗5min 能耐受较高的碱度 传播方式 水及食物 与病人或带菌动物接触 电镜照片使用的是结晶紫单染色 若革兰氏染色则为阴性红色 二 致病机理 由口进入人体释放出外毒素霍乱弧菌小肠中大量繁殖破坏肠细胞膜肠细胞大量脱水 电解质失衡腹泻或休克 死亡霍乱曾经猖獗一时 现在在我国已基本绝迹 这三种致病菌是水中最为常见的致病菌 都属于肠道传染病菌 其它病原菌如变形杆菌 肠炎耶尔氏菌 沙雷氏菌引起的症状较轻通常为肠炎 肠道传染病主要是由病人带菌的粪便污染水体而传播 四 寄生虫 真菌一般通过接触传染 不通过水传播 引起疾病的原生动物和小型后生动物也由水传播 通常称为寄生虫 在目前发现的几千种原生动物中只有20种能引起人类疾病传播方式 除了饮水不卫生外 更多的是通过食物以及昆虫血液传播如疟疾是蚊子传播 食用生肉感染肉类寄生虫等 一 原虫 引起人体疾病的原生动物又叫原虫 通过饮水引起疾病的原虫见下表 传播 虫卵通过病人粪便污染水体 二 蠕虫 引起人体疾病的小型动物又叫蠕虫 通过饮水引起疾病的蠕虫见下表 由以上可以看到 病原菌和病原虫都是通过粪便污染水源而传播的 因此防治饮用水传染病的关键是要严防水源被粪便污染 饮用水是否受到粪便污染的检测依据就是大肠菌群检测法 第三节大肠菌群和生活饮用水标准 水中存在病原菌的可能性很小 其他各种细菌的种类却很多 要排除一切细菌而单独检出某种病原菌来 在培养分离技术上较为复杂 需较多的人力和较长的时间 原则 一般不直接检验水中的病原菌 而是测定水中是否有肠道正常细菌的存在 只有在特殊情况下 才直接检验水中的病原菌 判断 检出有肠道细菌 则表明水被粪便所污染 也说明有被病原菌污染的可能性 水中肠道细菌的检验 通常以检测大肠菌群的存在及数量来反映 一 大肠菌群作为卫生指标的依据和意义 肠道正常细菌有3类 大肠菌群 肠球菌和产气荚膜杆菌 选作卫生指标的细菌必须符合下列要求 一 生理习性与肠道病原菌类似 即在外界的生存时间基本一致 代表性 二 在粪便中的数量较多 比病原菌多 不会漏检 三 检验技术较简单 操作方便 肠道细菌比较表 由上表可以看到 大肠菌群是三者中最具理想性的细菌 只要饮用水中检测出有大肠菌群存在则饮用水中可能含有病原细菌等 否则基本上可以排除病原菌存在的可能性 虽然这只是水卫生的可信程度上的一种检验 但自1914年美国首次用大肠菌群作为饮用水卫生检验标准以来 实践证明 符合这种标准的饮用水引起的各类肠道传染病确实大幅度下降 这说明大肠菌群作为卫生指标确实是可靠的 二 大肠菌群的形态和生理特性 大肠菌群是寄生于肠道中一群需氧和兼性厌氧的 能在37 培养24h内使乳糖发酵产酸产气的革兰氏阴性无芽胞杆菌的总称 一般包括大肠埃希氏杆菌 产气杆菌 枸橼酸盐杆菌和副大肠杆菌 这些寄生菌通常与人体构成互利共生关系 当人体免疫力下降时 他们则有可能成为引起肠炎的致病菌 他们中的个别变种还会变为极具毒性的病菌 如大肠埃希氏菌可引起幼儿腹泻 引起美国和日本传染病流行的O 157也是大肠埃希氏菌的变种菌株 这四种杆状细菌与其他杆菌镜检无法区分 通常利用他们在生理上与其他细菌的不同之处 用鉴别培养基加以鉴定 大肠菌群的细菌的区别情况见下表 大肠菌群类比表 品红亚硫酸钠培养基又称远藤氏培养基 它是大肠杆菌鉴别测定时的培养基 结合菌落特征和杆状 革兰氏染色阴性特征就可以将大肠菌群与其他细菌区别开来 之所以四种细菌呈现不同的菌落特征 主要是与它们分解乳酸的能力强弱所决定的 品红亚硫酸钠培养基配方碳源 乳酸10g氮源 蛋白胨10g缓冲剂 兼磷源 磷酸氢二钾3 5g指示剂 5 碱性品红乙醇溶液20ml 无水亚硫酸钠5g溶剂 1000ml水凝固剂 琼脂20 30g 亚硫酸钠是强还原剂 它使溶液中的品红红色煺去 形成无色的品红亚硫酸钠复合物 细菌发酵乳酸 乳酸分解的产物乙醛与亚硫酸钠形成加合产物 使部分品红释放 显示出品红的紫红色 恢复的紫红色的深浅与乳酸的分解量成正比 由于这四种细菌分解乳酸的能力有大小之分 故培养的菌落颜色就有颜色上的差别 大肠埃希氏菌分解乳酸的能力最强 因此菌落颜色最深 而且释放出的大量品红还能够与代谢产物中的乙酸或其它有机酸形成沉淀 沉淀会放出金属光泽 副大肠杆菌由于不能分解乳酸 因而菌落为无色透明 三 生活饮用水细菌卫生标准 基于长期实践证明 我国 生活饮用水卫生标准 GB5749 85关于饮用水中的细菌标准与大肠菌群数量标准为1 细菌总数 100个 ml2 大肠菌群 3个 L对于用于处理后作为饮用水的源水 即水源水 主要指自来水水场的进水 国家也有规定3 若只经过加氯消毒即供作生活饮用水的水源水 大肠菌群数平均每升不得超过1000个 经过净化处理及加氯消毒后供作生活饮用的水源水 大肠菌群数平均每升不得超过10000个 前两个标准是饮用水的质量标准 第三个标准则是水源水筛选的标准 保证水源水在后处理能力范围内能够达到饮用水标准 第四节水的卫生细菌学检验 水的卫生细菌学检验包括国标中的细菌总数与大肠菌群两个指标的测定 一 细菌总数的测定 一 测定方法将一定量的水样接种于营养琼脂培养基中 在37 下培养24h后 数出生长的细菌菌落数 然后根据培养基表面生长出的菌落数算出水中的细菌数量 水样的量控制使菌落数在30 300个之间 过少时测量的偶然误差较大 过多时则单菌落容易聚团 难以准确计数 水样洁净时可以通过调整接种水样量控制 而较脏的水则通过调整稀释倍数来控制 二 测定范围 水中细菌总数实际上指的是大部分好氧细菌 兼性厌氧细菌的数量 其他厌氧细菌和少量不能在营养琼脂培养基上生长的细菌不能被测出 三 意义提问 大肠菌群没有超标 而细菌总数超标则意味什么 答案 水源水没有受到粪便污染 而水厂的杀菌设施工作欠佳 一旦水源水被粪便污染则杀菌设施很可能不能保证处理后的大肠菌数达标 意义 指导自来水厂的运行 检测杀菌设施的工况 保证水处理后的效果 二 大肠菌群的测定 一 测定方法大肠菌群的测定方法有两种 发酵法和滤膜法 1 发酵法发酵法是大肠菌群测定的国家标准方法 它实际上是MPN细菌计数法 分为三步 如图A 初发酵目的 水中大肠菌群存在与否的初步判断 A 初发酵 方法为将水样置于糖类液体培养基中 在一定温度下 经一定时间培养后 观察有无酸和气体产生 即有无发酵 而初步确定有无大肠菌群存在 如采用含有葡萄糖或甘露醇的培养基 则包括副大肠杆菌 如不考虑副大肠杆菌 则用乳糖培养基 由于水中除大肠菌群外 还可能存在其它发酵糖类物质的细菌 所以培养后如发现气体和酸并不一定能肯定水中含有大肠菌群 还需根据这类细菌的其它特性进行下两阶段的检验 水中能使糖类发酵的细菌除大肠菌群外 最常见的有各种厌氧和好氧的芽孢杆菌 在可能被粪便严重污染的水中 这类细菌的数量比大肠菌群的数量要少得多 在此情形下 本阶段的发酵一般即可被认为确有大肠菌群存在 在比较清洁的或加氯的水中 由于芽孢的抵抗力较大 其数量可能相对地比较多 所以本试验即使产酸产气 还不能肯定是由于大菌群引起的 必须继续进行试验 试验中的培养基中加入了酸碱指示剂紫色的溴甲酚紫 产酸时指示剂变黄 同时培养基中口朝下放置了装满同样培养基的小试管 产气时小试管中会封闭一段气体 被作为培养中是否产气的依据 目的 鉴定产酸产气菌的染色特征 好氧与否 芽孢特征 根据 大肠菌群在固体培养基上可以在空气生长 革兰氏染色呈阴性和不生芽孢的特性 B 平板分离 复发酵 在此阶段 先将上一试验产酸的菌种移植于品红亚硫酸钠培养基 远藤氏培养基 或伊红美蓝培养基表面 划线接种是为了分离出单菌落 防治菌落不纯干扰结果 这一步氧气可以阻止厌氧芽抱杆菌的生长 而上述培养基所含染料物质也有抑制许多其它细菌生长的作用 经过培养 如果出现典型的大肠菌群菌落 则可认为有此类细菌存在 但为了进一步的肯定 应进行革兰氏染色检验 由于芽孢杆菌经革兰氏染色后一般呈阳性 所根据染色结果 又可将大肠菌群与好氧芽孢杆菌区别开来 如果革兰氏染色检验发现有阴性无芽袍杆菌存在 则为了更进一步的验证 可作复发酵试验 C 复发酵 目的 验证将可疑的菌落再移植于糖类培养基中 观察其是否发酵 是否产酸产气 最后肯定有无大肠菌群存在 对于自来水厂出水 初步发酵试验一般都在10个小发酵管和2个大发酵管 或发酵瓶 内进行 复发酵试验则在小发酵管内进行 具体操作见实验一章 根据肯定有大肠菌群存在的初步发酵试验的发酵管或瓶的数目及试验所用的水样量 即可利用数理统计原理 查表得出结果 第八章实验164页 也可以计算出每升水样中大肠菌群的最可能数目 MPN 下面是计算的近似公式 如例题中100ml发酵瓶阴性 10ml发酵管中有三管被后两步证明还有大肠菌群则查表也是11个 通常查表比计算更方便些 2 滤膜法 滤膜法我们在第三章已作过介绍 需要补充的是也有最后证实试验步骤 3 存在的问题与其他方法A 发酵法与滤膜法的弊端滞后 发酵法需72小时 滤膜法需30 48小时 不能及时指导生产质量控制 B 以大肠菌群作为卫生指标的弊端提问 可能是什么 不能反映水中病毒及除肠道病原菌外的其它病原菌 如引起皮肤溃烂的碳且杆菌 情况 大肠菌群细菌耐消毒剂的能力以及体外的存活时间都不及病毒 因此仅测出大肠菌群数 但由于其它病原菌主要是通过接触伤口 食物 空气传播 因而在水中的可能性与危害性可以忽略 在必要时补充水中的病毒检验 这种弊端是可以克服的 C 其他方法a 电子显微镜法电子显微镜直接观察这种方法鉴于国外一些大的自来水厂 准确高效 迅速 但由于设备昂贵 应用受到限制 b 粪大肠菌群法 测定的是副大肠杆菌由于副大肠杆菌是粪便中特有的 而其他大肠杆菌有野生种 这种方法测出的结果比通常的大肠菌群法更能反映水样近期受粪便污染的情况 但存在漏检的弊端 应用有所限制 目前饮用水卫生检验亟待开发一种全面 准确 迅速 简便 价廉的方法 以更为安全的确保饮水的安全 第五节水中的病毒及其检验 目前已知通过饮用水传播的病毒主要是肠道病毒如脊髓灰质炎 小儿麻痹 病毒 肝炎病毒 埃克病毒 柯萨奇病毒 一 水中的病毒种类水中的上述病毒都呈球状 耐酸 没有包膜 在体外环境中比较稳定 能存活较长时间 柯萨奇病毒由于首次发现于美国的柯萨奇而得名 埃可病毒则是它的英文全名 人肠道孤病毒 ECHO 的缩写读音 这几种病毒的疾病区别见下表 二 水中常见病毒 三 水中病毒的检验 一 必要性由于病毒对于普通的水处理消毒方式的耐受性比大肠菌群强 因此水中即使查不出大肠菌群 也无法排除水中仍然存在病毒的可能性 尤其是严重污染的水源和城市污水回用于城市给水时 这一问题尤为突出 因此对于这类水体应辅助进行病毒的检验 但目前由于检测方法还很不成熟 还没有水中病毒检验的国家标准 二 方法 三 存在的问题 目前病毒的检验还很不成熟 体现在1 漏检任何一种实验动物细胞都不能对水中可能存在的全部病毒敏感地反映 例如甲型肝炎病毒不能用这一方法检测出 2 试验周期长试验的周期随不同病毒的生长快慢而定 短者两三天 最长的甚至要等几个星期 难以及时指导生产实践 3 膜富集可靠性不高这是由于病毒颗粒很小 可以通过细菌滤膜 在膜富集时 一些病毒也有可能通过滤膜 4 实验用动物细胞来源困难因此 只有在十分必要的场合 如城市污水回用于城市给水 才把病毒检验作为水质的常规检测 实践证明在水厂消毒设施正常工作时 一般水中没有病毒的存在 第六节水中微生物的控制方法 饮用水 游泳池水需要控制其中的病原微生物 医院的污水必须彻底灭菌方可排放 水库 湖泊需要控制藻类生长 以防水体缺氧 工业循环冷却水及油田回注水需要控制管道腐蚀菌 水处理设施中需要控制引起污泥膨胀的丝状菌生长 各种控制方法的原理都是基于微生物的生理特点 一 饮用水的微生物控制方法 一般经砂滤 沉淀处理后 可去除较大的寄生虫卵以及原虫 而病原菌和病毒需用其他方法去除 通常将水中病原菌和病毒的去除称为消毒 随着时代的发展 饮用水生产方式上的变化 饮用水的消毒方法有了许多新的发展 目前大体有以下一些方法 一 煮沸法煮沸法是最原始的方法 但却最简便 有效 煮沸法直接快速破坏病原微生物的蛋白质 使其凝固发生不可逆变性 特别适用于家庭和野外工作环境 二 加氯消毒 加氯消毒是目前国内外自来水厂最常用的消毒方法 所使用的氯包括液氯 漂白粉等 1 杀菌机理液氯Cl2 H2OHOCl H Cl HOClH OCl 漂白粉的主要成分为Ca ClO 2Ca OCl 2Ca2 2OCl 机理 氧化性使蛋白质 核酸变性HOCl比OCl 更强一些 因为微生物表面一般带负电荷 OCl 也是负电荷 较难接近微生物 而HOCl是中性分子 可接近并进入微生物体内 起容易到破坏作用 与这两种化合物类似 凡是具有氧化性的含氯化合物剧具有消毒能力 而且消毒的能力与其氧化性的强弱成正比 氧化性的强弱通常用有效氯来表示 2 有效氯的计算有效氯表示含氯化合物的氧化能力 用质量 含量表示 式中35 5是氯原子的摩尔质量 例如Cl2的有效氯为100 NaCl为0 没有氧化性 次氯酸钙 Cl 1 为56 二氧化氯 Cl 4 为263 二氧化氯由于有效氯高且无副作用 已开始作为杀菌剂使用 但价格贵 使用受到限制 由于液氯是化肥生产的副产品 成本低 杀菌效率高 因此通常都以液氯作为自来水水厂最后的杀菌措施 3 氯的投加效果 氯投加后的消毒效果与剂量 消毒时间 水的pH 水温 水质等因素有关 A 剂量与时间剂量要求 杀菌及保持一定的余氯抑菌余氯指水中加氯一定时间后残余的Cl2 HOCl OCl 中的氧化态氯浓度 由于水体微生物含量及其他还原性物质的量不同 不同水的液氯初始投加量也在变化 我国制定生活饮用水卫生标准以水中大肠菌群以及细菌总数的标准为依据 规定a 饮用水加氯消毒30min后 游离余氯不应低0 3mg L以此决定液氯的初始投加剂量 由于各自来水厂的管网长度不等 在满足以上规定后 过长的管线末端流到各个家庭的自来水中余氯仍可能消减怠尽 难以保证有害微生物在管线中的滋生 因此自来水厂饮用水中的加氯量还必须能够满足b 管线最末端余氯不低于0 05mg L 保证 杀死水中的所有肠道传染病细菌 疏漏 病毒由于病毒耐受氯毒性的能力较强 杀死水中病毒的余氯量要比上述规定高2 20倍 而且水温越低 余氯量还必须更大 一般而言 水病毒很少 实践证明在设备正常运行时经过前期水处理的混凝 沉淀 活性炭吸附后大部分病毒都被截留 少量的病毒在加氯阶段基本上被清除 因此通常只考虑水中病原菌的杀灭 但这毕竟存在一定的风险 目前是否应该提高加氯量彻底保证水中不存在病毒还没有定论 有关问题还需要更多的理论和实践的论证 液氯的溶解以及次氯酸的解离都是一个电离平衡过程 平衡后Cl2 HOCl OCl 的浓度与温度和pH有关 由于这三种物质的杀菌力强弱依次为HOCl OCl Cl2因此同样的的液氯初始投加量在不同的pH与水温的消毒效果是不同的 由平衡关系可知 低pH 低水温水中HOCl浓度高杀菌效果好 B pH与水温 C 水质 水质因素包括Cl 浓度 NH3 有机物 a Cl 浓度反比从氯溶解平衡可以知道Cl 较大时 水中HOCl浓度较小 因而会使消毒效果下降 b NH3反比氨与氯很容易反应生成氯胺 NH2Cl 这种余氯Cl 1的杀菌能力比次氯酸等弱 因此水中NH3高会降低消毒效果 但其他氯在水中太活泼 在水管中容易消失 而氯胺比较稳定 为保证住户的水龙头流出的水中余氯 通常优质的本身不含有氨的自来水中常添加一定量的氨形成氯胺 保证消毒最终的效果 C 有机物 反比有机物可与氯生成有害物质 如氯与甲烷反应会生成致癌物三氯甲烷 有鉴于此 除水厂澄清水的消毒仍用氯以外 以往对含有机物多的水源水或污水的氯气消毒法已被废止 不再采用 改为其它方法 臭氧 O3 消毒是一种传统的方法 多用于欧洲 1 杀菌机理提问 臭氧具有极强的氧化性 杀菌机理尚不完全清楚 可能是氧化细胞膜 氧化蛋白质上的还原性基团 使细胞膜 蛋白质变性杀死病菌 工业上的臭氧是通过氧气的紫外线激发产生的 三 臭氧消毒 紫外线照射3O22O32 优点与加氯消毒法比较 臭氧消毒有以下一些优点A 速度快于氯气 B 不会造成异臭异味 C 用于水源水前期消毒以及污水消毒时 不产生致癌物 同时还能氧化分解一些不可生物降解有机物 使之可被后续的生物法去除 3 缺点 臭氧消毒与加氯法相比也有一些不足之处A 不稳定 易分解 不能工业化生产 只能现场用臭氧发生器制造 成本较高 B 没有余量 没有后续的杀菌能力 成本问题是限制臭氧消毒法使用的主要因素 一旦在发生器技术上取得突破 臭氧消毒法很可能完全取代目前的加氯消毒法 四 紫外线消毒 五 过氧化氢 H2O2 消毒 范围 小规模水厂消毒和游泳池循环水的消毒 优点 产物无臭味无害设备简单提问 缺点是什么 缺点 紫外线穿透能力较差 悬浮物 有机物都会干扰消毒效果 费用也较高 范围 高纯饮用水短期抑菌保质 缺点 杀菌效果不佳提问 但由于好氧菌和兼性厌氧菌具有过氧化氢酶 能将其分解 因而杀菌效果不佳