封閉式供水搖蚊污染治理的個案研究

作者：美國印地安那州Notre Dame大學生物科學系 馬丁 B. 伯格
譯者：賴杰雄（惠州市自來水總公司）　　周　 瓊（惠州大學理工學院）

引子: 近年來，廣東惠州市區屢有用戶投訴飲用水中出現搖蚊幼蟲的污染，尤其是在二次供水中出現的污染個案呈上升的趨勢；具有獨特生理特點及生殖方式的搖蚊幼蟲往往通過正常的水處理難以殺滅。為了探討搖蚊幼蟲的治理方法與借鑒國際上的治理經驗，特翻譯此文，以期拋磚引玉，引起水質界的關注與商榷。

前言

　　搖蚊屬于昆蟲綱有翅亞綱雙翅目搖蚊科。搖蚊污染供水池和泳池（及各類娛樂水域）的突發事件不僅在世界范圍內都存在，而且是用戶投訴蚊類污染水質的事件中最多的一類。這些突發事件不但干擾人們正常工作和戶外消遣，而且使受污染地區產生經濟上的負面影響。隨著人類對水環境開發利用的深入，這類突發事件極有可能會引起人們越來越多的抱怨。
　　盡管人類對搖蚊的公害已有深入的認識，但對搖蚊幼蟲污染水質的相關報道卻很少；其中涉及到的一個問題就是市政供水的污染。搖蚊幼蟲的污染大多數發生在配備蓄水池的配水系統，因為開放式蓄水池易成為雌性搖蚊產卵的場所。因此, 配水系統結構設計的完善和殺蟲劑的使用常作為開放式供水系統殺滅幼蟲或減少幼蟲數量的手段。然而，封閉式供水系統的幼蟲污染則較難治理，由于美國聯邦和各州法律都禁止在飲用水中使用殺蟲劑, 因此必須采用其他的治理手段。這篇文章闡述了兩個關于封閉式供水系統搖蚊幼蟲污染治理的研究個案。

個案一

　　個案一涉及到某食品加工廠內的供水系統的污染。該工廠的原水從附近的河流吸取直接泵入可以進行軟化和PH值調節的預處理車間（圖1）。接著把預處理水泵入沉淀井（澄清井）以除去顆粒狀物質。顆粒物去除之后的預處理水成為濾前水而被直接泵上高位蓄水池。在進入食品加工車間之前，濾前水通入一系列活性炭過濾器進行過濾，然后再直接導入冷熱水處理系統。最后，加熱水與冷卻水混入同一管道內以確保產品加工所需的均衡水溫。但是有時候，來源于管道中的水垢和其它雜質會混入水中，為防止這些雜質混入產品而影響產品質量, 加工車間內每個出水口都安裝了64μm的精細篩網；車間工人因此在篩網上首次發現了搖蚊幼蟲。
　　為了確定搖蚊侵入食品加工廠的來源點，以及估計其污染的范圍，研究人員在以下地點進行了采樣：沉淀井（有機物），高位蓄水池出水口（水樣），過濾器（活性炭），加工廠內排水溝（有機沉淀物和水樣），廠內配水系統（水樣）（圖1）。利用Ekman采樣網收集到的沉淀物樣品被帶回實驗室，在10倍放大率的解剖顯微鏡下進行檢測；與高位蓄水池相通的每個消防栓出水口處都安裝了64μm的精細篩網，以三個10分鐘作為一個周期來收集水樣中的幼蟲；對已安裝64μm的精細篩網的廠內配水系統的不同出水口，進行持續7天的采樣以收集幼蟲；經收集后的濾池里的活性炭樣品和排水溝的有機沉淀物樣品，置于白色瓷盤中以檢查是否有搖蚊幼蟲；雖然在加工車間內未能發現搖蚊成蟲，但是可從進氣孔的過濾器中檢查有無成蟲。同時對附近河流也進行采樣，以確定聚集的搖蚊幼蟲的種類和數量。
　　研究人員在廠內的配水系統中收集到三種搖蚊幼蟲，其中Dicrotendipes neomodestus （Malloch）占所收集到的幼蟲總數的98％， Phaenopsectra obediens （Johannsen）和 Eukiefferiella devonica Edwards sp.gr. 則占余下的2％。在收集到的鄰近河流底部的樣品中都發現了這三種幼蟲，并以 D.neomodestus占絕大多數。因此可以推斷，這條河流既是廠內水處理系統搖蚊幼蟲污染的直接來源（通過水處理），也是間接來源（通過侵入高位蓄水池的成蟲產卵）。因為除了配水系統之外，其余的采樣點都沒有發現搖蚊幼蟲，所以在水處理系統中搖蚊侵入的方式和地點還不能確定。

圖1. 食品加工廠內水處理工藝流程

　　為了能在水處理系統中直接殺滅搖蚊幼蟲，研究人員嘗試了一系列的治理方案。第一種治理方案就是利用49℃的水反沖洗冷水處理系統（不包括制冷單元）12個小時。實驗表明：溫度超過40℃就可以殺滅所有侵入系統的三種搖蚊。在反沖洗后兩天內，沒有發現幼蟲被截留在篩網袋內。然而，在緊跟著的三天內，篩網袋內幼蟲的數量恢復到反沖洗前的水平。反沖洗效果不理想，這很可能是配水系統管網面積過大的緣故，因而可以推斷，如此大面積的管網并非都能夠充盈49℃的反沖洗水。為確保所有管網都能被徹底反沖洗, 研究人員沿配水管網的不同部位安裝了可檢測水溫的電熱調節器，然后對整個配水系統再進行反沖洗。檢測結果表明，配水系統的某些部位僅有30℃, 如此低的溫度當然不足以使幼蟲致命了。
　　有鑒于此，第二套治理方案就嘗試利用89℃水進行反沖洗，以確保整個配水系統的水溫都超過 40℃——這是幼蟲的致命溫度。在反沖洗期間, 電熱調節器數字顯示表明，系統的最低水溫達到 55℃, 這個溫度足以殺死所有幼蟲。因此，在反沖洗后大約一個星期內，幼蟲數量明顯減少了。然而在緊跟著的兩個星期內，幼蟲數量又恢復到反沖洗前的水平。第二套方案的治理效果表明，配水系統的某個部位無疑充當了搖蚊的避難所。
　　配水系統的設計結構經清查之后顯示，的確存在不能達到相應水溫的部位。這個部位就是制冷單元內的大水箱，它是冷水處理系統的蓄水池。于是，第三次方案就利用 89℃水反沖洗包括制冷單元在內的整個系統，這次治理終于在整個水處理系統中徹底殺死所有的幼蟲。每個月都利用89℃水進行一次反沖洗，使整個供水系統在一年多的時間里再沒有出現搖蚊的污染。

個案二

　　美國印第安那州Lowell城的市政供水的污染就是第二個個案。該城的飲用水源來自地下水。地下水由一系列的水井直接泵入水處理廠進行處理。抽上來的水經過曝氣和投氯消毒，然后泵入高位蓄水池（水塔），最后進入用戶管網（圖2）。
　　幾宗用戶的投訴使人注意到，飲用水中出現了搖蚊幼蟲的污染。為了確定污染范圍，研究人員利用 64μm的精細篩網從抽取的地下水、管網水和消防用水中進行取樣以收集幼蟲。地下水中并沒有發現幼蟲，但是，在管網水中收集到了大量幼蟲。經鑒定，從管網水中收集到的幼蟲都是Paratanytarsus grimmii （Schneider） 的幼蟲。

圖2. 印地安那州Lowell城市政供水流程

　　第一種治理嘗試是打開消防栓，以期用高速水流盡可能沖刷掉管網內的幼蟲。每5分鐘的沖洗周期平均可收集到125個幼蟲。但是，沖洗管網的嘗試不但不能減少幼蟲的數量，反而使用戶的投訴增加了。
　　由于地下水中沒有發現幼蟲，因此可以斷言，水塔頂部的通氣孔是搖蚊唯一的侵入點。于是決定采取第二種治理嘗試：先排空水塔內的蓄水，用64μm的精細篩網封住通氣孔以防止搖蚊進入, 然后用 50℃的加壓水清洗水塔。在清洗之前，研究人員在蓄水塔內壁和水塔內中央豎管附近的沉積物都發現了搖蚊成蟲和幼蟲。在水塔內發現的搖蚊都是P.grimmii，并且所有的成蟲、蛹和幼蟲都是雌性的。
　　P.grimmii生命周期中的生殖方式與產卵行為使得封閉式水處理系統的搖蚊污染難以治理。P.grimmii 的孤雌生殖方式（即昆蟲的卵不經過受精就能發育成新個體的生殖方式）使得任何希望通過干擾其交配行為來達到治理的嘗試都無功而返。另外, P.grimmii的孤雌生殖方式是一種變異的幼體生殖方式，即由蛻裂的成蟲在蛹蛻內產卵，這有異于由母幼蟲直接產生子幼蟲的正常的幼體生殖方式（幼體生殖：昆蟲在處于幼蟲期就能生殖；凡進行幼體生殖的昆蟲，產出的都不是卵，而是幼蟲。）。由于生命周期中不存在羽化階段，因此，若希望通過干擾其羽化行為來達到殺滅目的的嘗試同樣是無法奏效的。由于無法干擾 P.grimmii的交配或羽化行為， 因此，筆者決定嘗試通過破壞 P.grimmii 的進食方式來治理這種搖蚊。
　　P.grimmii在配水系統內的食物結構可以通過 DAPI（4‘6-二氨基-2-苯基吲哚）來鑒定, DAPI是一種可對特定性DNA（脫氧核糖核酸）顯色的熒光顯色劑。由于不同物質通過DAPI可以顯示出特異的顏色，因此，它可以鑒定出 P.grimmii.體內的食物結構。
　　通過 DAPI顯示出的微弱熒光斑（以下戲稱其為“幽靈”），可以鑒定出 P.grimmii是以死細菌為主食。從配水系統收集到的水樣中也可以發現這些“幽靈”的存在，因此, P.grimmii的進食方式可能是濾食水流中的死亡細菌。這些死細菌的來源雖不能確定, 但它們可能是由于曝氣和PH值升高而被殺死的硫細菌和鐵細菌。
　　第一種嘗試方案是利用被稱之為B.t.i.的生物試劑來治理P.grimmii ，B.t.i.（Bacillus thuringiensis var. Israelensis——蘇云金芽孢桿菌的以色列變種）是一種有效地殺滅蚊蠅等水生昆蟲的生物試劑。通常, 能殺死蚊蠅的B.t.i. 濃度對搖蚊無毒。但當 B.t.i.濃度是殺蚊濃度的5～10倍時，則可對搖蚊的濾食方式產生干擾。與之相關的實驗研究證明，5ppm 的B.t.i.在48小時內使搖蚊死亡率達到25％, 而 10ppm的濃度, 可使死亡率在48小時內達到100％ 。由于10ppm的 B.t.i.能夠有效地殺死P.grimmii，所以筆者向印地安那州政府提交了在 Lowell城水處理系統中添加 B.t.i.試劑的建議提案。但是，筆者的提案被州政府否決了，首先是因為B.t.i.尚未被批準應用在飲用水中，其次是因為在相關法規上，B.t.i.易與化學殺蟲劑混為一談。因此, 筆者試圖尋找一種既可以作為飲用水的添加劑又可以殺死搖蚊的替代物。
　　這種替代物就是 Calgon公司研制開發出的被稱之為 Catfloc 的食品級的聚合物，它已被成功地應用于殺滅 Laurentian 湖的斑紋貝類。這種聚合物不僅可以干擾斑紋貝類的呼吸作用，而且能夠阻礙它們的濾食方式。因此, 這種聚合物可以在 Lowell城供水系統P.grimmii污染的治理中一展身手。
　　利用Catfloc治理 P.grimmii的有效性的研究正在進行當中。初步的結果顯示，12ppm的 Catfloc對搖蚊產生非常低的急毒性，但經長期測試的效果表明，近似濃度的該聚合物能導致搖蚊高的死亡率。

結論

　　因蚊類引起的公害事件是發生最多的，而搖蚊在飲用水中的污染其實也很普遍。為了評估美國飲用水中搖蚊污染現狀, 美國水協向各州飲用水管理機構分派了有關的調查表，由調查表結果結合蚊類公害的相關報道來評估美國飲用水的搖蚊污染現狀。
　　調查結果顯示，美國有12個州報道了蚊類的公害事件，其中有6個州還存在搖蚊污染飲用水的問題； 另外有9個州則沒有這方面的報道。由此可見，美國30％的州（15個州）都存在搖蚊污染飲用水的問題。搖蚊污染飲用水的發生率雖是如此之高，但令人奇怪的是，這種污染的相關報道卻不是那么普遍，這也許是搖蚊幼蟲在水中的密度太低不足以引起用戶抱怨的緣故。但是有時候，當幼蟲的密度達到一定的水平時，就足以引起用戶的注意了。
　　大多數的污染個案都發生在搖蚊易侵入的開放式蓄水池。安裝在蓄水池出水口的過濾器或微濾器能夠防止搖蚊幼蟲侵入封閉式的配水系統。雖然化學殺蟲劑和其他的治理方法沒有被推薦應用于飲用水中，但是這類方法卻可以簡而易行地應用于開放式的蓄水池。配水系統設計結構的完善已應用于搖蚊污染的治理。研究人員Bay在華盛頓州 Tacoma的近期（1993年）研究證實，以封閉式的高位蓄水池替代開放式的蓄水池能夠減少搖蚊污染的發生率。
　　在封閉式配水系統內長期性的搖蚊污染是更難以治理的，并且鮮有報道。個案一的食品加工廠的反沖洗治理措施是一種可行的辦法，但是這種方法通常局限于較小的和易操控的供水系統。
　　而最難以治理的莫過于能在大型配水系統中完成其生命周期的這一類搖蚊的污染，營孤雌生殖的搖蚊就是一個典型。由孤雌生殖的 P.grimmii引起的污染并非只局限于Lowell城的供水系統。在美國加利福尼亞、英格蘭、德國的配水系統中，估計是由P.grimmii引起的類似污染事件都已有過報道。各種各樣的治理措施都被人們嘗試用于殺滅這種搖蚊，而提高PH值、投氯或者安裝微濾器等常規治理措施不是收效甚微就是徒勞無功。在供水系統中添加除蟲菊酯殺蟲劑，或者在冬天由于偶然性的原因形成水凝固的個案就成為極個別成功殺滅P.grimmii的例子。
　　在美國，由于不允許在配水系統中使用殺蟲劑，因此能夠在封閉式供水中殺滅搖蚊的替代物就很少了。通過干擾進食方式以殺滅搖蚊的方法研究顯示，這種方法對其它水環境的搖蚊污染也會有治理成效。如果食品級聚合物 Catfloc 或其它類似的物質在Lowell城配水系統中能有效地治理搖蚊污染，那么它的用途會被擴展到其它的污染水環境。這種方法將有效地降低由于利用殺蟲劑和其它化學試劑殺滅水環境中的搖蚊而產生的對人體潛在的危害。（完）

（衷心感謝中國科學院武漢水生生物研究所陳浩峰博士提供原稿！）

（衷心感謝南京醫科大學皮膚性病學專業雷鐵池博士對譯稿自始至終的誠摯關懷與鼎力相助?。?/p>