《Journal of Environmental Management》：Biofouling in hospital greywater systems: Implications for public health and antimicrobial resistance
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医院产生大量含有病原微生物、药物残留和抗菌素耐药性决定因子（antimicrobial resistance determinants）的废水，对公共卫生和环境安全构成日益严重的关切。医院水基础设施内的水力和运行条件可促进微生物生物膜（biofilm）在内表面
医院产生大量含有病原微生物、药物残留和抗菌素耐药性决定因子（antimicrobial resistance determinants）的废水，对公共卫生和环境安全构成日益严重的关切。医院水基础设施内的水力和运行条件可促进微生物生物膜（biofilm）在内表面形成，从而有利于微生物持续存在和潜在传播。源自洗手池、淋浴、洗衣和清洁活动的灰水系统（greywater systems），由于有机物、消毒剂、药物和微生物的持续输入，尤其易发生生物污损（biofouling）。尽管医院灰水通常被认为污染程度低于黑水（blackwater），但这些系统仍可能支持管道相关生物膜中的机会性病原体（opportunistic pathogens）和抗菌素耐药微生物（antimicrobial-resistant microorganisms）。然而，尽管医院废水日益受到关注，但医院灰水系统中生物膜形成的研究仍不充分。现有的大部分证据是从医院管道系统、饮用水系统和废水基础设施中推断得出的。本综述审查了关于医院灰水系统中生物膜形成和生物污损过程的现有知识，重点包括：1）与医院灰水基础设施相关生物膜的微生物组成和结构特征；2）影响生物膜形成和持续存在的环境、化学和运行因素；3）灰水相关生物膜在微生物持续存在和抗菌素耐药性传播中的潜在作用；4）这些过程对公共卫生和环境管理的意义。本综述还指出了主要的知识空白，并强调需要在“同一健康”（One Health）框架下采取综合监测、工程和管理策略。
**3. 医院与水基础设施**
医院是高度耗水的设施，产生具有独特物理、化学和微生物特性的复杂废水。与常规城市废水不同，医院废水来自临床护理、实验室、洗衣房、厨房、清洁程序和患者卫生，持续排放药物、消毒剂、有机物、病原微生物和抗菌素耐药性决定因子。医疗设施内的配水和废水基础设施构成复杂工程环境，具有广泛的管道网络、可变水力条件、间歇流态和多个水停滞点。这些条件有利于微生物附着和管道内表面生物膜发育，尤其在洗手池、排水管、淋浴、存水弯及相关管道组件中。尽管监管框架和国际指南主要关注废水处理和排放，但较少关注内部医院管道系统作为微生物持续存在和抗菌素耐药性传播生态位的作用。这一局限性对于医院灰水系统尤为突出，尽管其在生物膜形成和医疗相关微生物传播中具有潜在作用，但仍缺乏充分表征。
**3.1. 医院废水：来源、特征与分类**
医院废水可大致分为黑水（blackwater）、灰水（greywater）和雨水（stormwater）。然而，在医疗环境中，这些类别在微生物学上并不总是等效的，废水成分受临床活动、患者群体、清洁实践和基础设施设计强烈影响。
**3.1.1. 黑水**
黑水主要由来自厕所和卫生设施的粪便、尿液和冲洗水组成。由于其高有机负荷和直接粪便污染，黑水是医院废水中病原微生物、肠道病毒和抗菌素耐药性决定因子的主要来源。
**3.1.2. 灰水**
灰水通常定义为来自洗手池、淋浴、洗衣、洗手站和清洁活动的废水，不包括厕所污水。然而，在医院环境中，灰水还可能包含患者卫生、临床支持活动、受污染表面、洗涤剂、消毒剂、药物残留和体液，成分比典型生活灰水更复杂。本综述中，“医院灰水系统”指与洗手池、淋浴、排水管、洗手站、洗衣房及连接管道网络相关的内部废水基础设施，用于输送非厕所废水。尽管医院灰水通常粪便污染水平低于黑水，但仍富含有机物、微生物、消毒剂和药物化合物，可促进微生物持续存在和生物膜形成。洗手池、排水管、存水弯、淋浴及相关管道组件提供稳定表面和水力条件，支持微生物附着和多微生物生物膜建立。这些生物膜可能携带机会性病原体、抗菌素耐药微生物和可移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs），有助于医疗环境中微生物长期持续存在。
**3.1.3. 雨水**
雨水是来自医院设施屋顶和其他不透水室外表面的收集雨水。根据当地基础设施和环境条件，雨水可直接排放、渗入地下水系统或用于非饮用用途。尽管通常微生物复杂性低于医院废水，雨水可携带环境污染物、悬浮固体和表面相关微生物。
**4. 生物膜与生物污损：机制与环境驱动因素**
医院废水系统包含多样微生物群落，包括细菌、真菌、原生动物、病毒和蠕虫。有机物、药物、消毒剂的持续存在以及变化的水力条件可能施加选择压力，促进微生物适应、持续存在和水平基因转移（horizontal gene transfer）。医院管道组件，尤其是洗手池、排水管和存水弯，常被认为是机会性病原体和抗菌素耐药微生物的关键生态位。然而，现有证据分布不均：部分研究直接调查医院废水和管道系统，但大部分现有知识来自饮用水配水系统和一般工程水基础设施。本综述区分三类证据：（i）医院灰水系统的直接证据；（ii）来自洗手池、排水管、淋浴和饮用水系统等相关环境的间接证据；（iii）从一般生物膜和废水微生物学推断的风险。
**4.1. 生物膜形成**
生物膜形成是一个动态多阶段过程，包括：（1）可逆附着；（2）不可逆附着；（3）微菌落形成；（4）成熟；（5）扩散。在医院灰水系统中，这些阶段受营养可用性、pH、温度、水力剪切应力、表面成分以及消毒剂和抗菌化合物暴露等环境因素影响。生物膜提供生态优势，促进微生物相互作用、增强应激耐受性并降低对抗菌剂的易感性。形成始于浮游微生物在水动力学、物理化学和表面作用力下可逆附着；随着胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）积累，附着变为不可逆，稳定微生物附着并促进微菌落形成。成熟阶段，微生物在EPS基质内增殖，建立结构复杂和代谢互作用的群落。多物种生物膜中，微生物相互作用可增强营养交换、应激耐受性和对抗环境压力的能力。生物膜结构还促进细胞间信号传导和水平基因转移。环境应激源如营养限制、水力剪切和化学暴露可触发扩散，释放细胞或碎片，导致下游传播。
**4.2. 生物污损过程与基础设施相关性**
生物污损指水接触表面上微生物和大型生物的不良积累，导致工程系统结构、运行和卫生性能受损。该过程始于微生物附着和生物膜形成，随后有机物和微生物生物量逐渐积累。在医疗环境中，生物污损尤为重要，因为医院管道系统提供微生物持续存在和反复暴露于消毒剂、抗菌化合物的有利条件。洗手池、排水管和水出口的生物膜相关污染日益被认为与医疗相关病原体和抗菌素耐药微生物相关，但内部灰水系统的相对贡献仍不充分。
**4.3. 医院水系统中的生物膜与生物污损**
生物膜和生物污损在医院水相关环境中广泛存在，包括洗手池、排水管、淋浴、水龙头和内部管道系统，可能促发微生物持续存在和医疗保健相关感染（healthcare-associated infections, HAIs）。这些基础设施日益被视为机会性病原体和抗菌素耐药微生物的潜在环境储库。生物污损在配水和排水系统中通常被认为有害，因降低水力效率和带来微生物风险；然而在工程废水处理系统中，生物膜可能在污染物降解中起功能作用。在医院灰水系统中，这些对比作用具有情境依赖性。
**4.3.1. 医院灰水系统中的生物污损**
生物膜可附着在各种与水接触的表面。管道内生物膜积累增加水力阻力，导致流体输送能耗增加。在饮用水配水系统中，大多数微生物生物量与生物膜相关而非浮游相。尽管定期消毒，生物膜形成仍难以消除，可能成为机会性病原体储库。在医院灰水系统中，来自临床和卫生活动的持续营养输入支持生物膜发育。管道内生物膜由嵌入EPS基质（包括多糖、蛋白质、脂质和胞外核酸）的复杂微生物群落组成，可能促发微生物持续存在、微生物诱导腐蚀以及细胞持续脱落。管道材料显著影响：铸铁等金属表面倾向于支持腐蚀相关微生物群落，而塑料材料可能释放可生物降解有机物促进微生物生长。存水弯和U型弯管等结构特征形成水力停滞区，因剪切应力降低和营养保留增加而有利于微生物附着和生物膜成熟。来自饮用水系统的证据表明生物膜可促进病原菌和抗菌素耐药性基因（antimicrobial resistance genes, ARGs）的持续存在和传播，MGEs的存在进一步增加水平基因转移风险。医院管道和废水基础设施常被描述为支持抗菌素耐药微生物及其遗传元件持续存在的环境，主要归因于临床活动、化学暴露和水力复杂性的联合作用。与市政系统不同，医院灰水基础设施持续接触消毒剂、抗生素、洗涤剂和体液，常处于亚致死浓度，施加持续选择压力，促进微生物持续存在、应激耐受性和水平基因转移。因此，医院灰水系统可概念化为抗菌素耐药性的长期选择竞技场而非偶然污染途径。
**4.3.2. 医院灰水系统中的生物污损微生物群**
灰水是异质废水，包含多样微生物群落，包括细菌、原生动物、真菌、病毒和寄生蠕虫。在医院环境中，灰水微生物组成预计与生活系统显著不同，因临床活动、患者护理、清洁程序、消毒剂和药物残留的持续输入。然而，直接系统特异性研究有限，现有理解大多来自洗手池、排水管、管道生物膜和废水系统等相关环境。医院灰水常含有表面活性剂如直链烷基苯磺酸盐（linear alkylbenzene sulfonates, LAS），可影响膜渗透性、EPS产生和微生物群落选择，在某些条件下可增强生物膜稳定性和水平基因转移。报告存在于灰水和医院相关湿环境中的微生物包括：革兰氏阴性菌如大肠杆菌、铜绿假单胞菌、军团菌属、克雷伯菌属等，生物膜形成能力极高，是HAIs的主要病原体，与ARGs和MGEs强相关；革兰氏阳性菌如葡萄球菌属、肠球菌属，常见于洗手池、湿表面，具有抗生素耐药性；非结核分枝杆菌（non-tuberculous mycobacteria, NTM）如分枝杆菌属，常见于淋浴和产气雾装置，对氯化消毒高度耐受；其他环境细菌如甲基杆菌属、拟杆菌属；酵母菌如白色念珠菌，在手洗池和混合物种生物膜中形成强生物膜；真菌如曲霉属、镰刀菌属等，常见于停滞区和混合生物膜，可导致免疫受损患者感染；原生动物如贾第鞭毛虫、隐孢子虫，与粪便污染途径相关；肠道病毒如诺如病毒、轮状病毒，不形成生物膜但可吸附于生物膜基质；蠕虫在高效设施中相关性有限。总体而言，现有证据表明医院灰水系统可能支持能够形成结构化生物膜的复杂多微生物群落，但该结论主要来自饮用水系统、医院管道和废水基础设施的研究。这是一个关键局限性。
**5. 公共卫生与抗菌素耐药性影响**
医院灰水系统代表医疗设施、城市水循环和环境之间常被忽视的界面。管道基础设施内复杂多微生物生物膜的形成可能将这些系统转变为持续微生物（包括机会性病原体和抗菌素耐药性决定因子）的潜在储库。
**5.1. 医院灰水作为病原微生物储库**
与生活灰水相比，医院灰水具有更高的微生物和化学复杂性，因患者护理活动、密集清洁程序以及消毒剂和药物的持续使用。这种独特组成施加选择压力，有利于管道生物膜中机会性病原体的存活和持续存在。临床上相关微生物如铜绿假单胞菌、军团菌属、非结核分枝杆菌、葡萄球菌属、肠球菌属、丝状真菌和酵母菌，一旦嵌入EPS基质，对水力剪切应力、温度波动和常规消毒实践表现出增强抵抗力。因此，医院灰水生物膜可通过溅洒、气溶胶化和涉及洗手池、淋浴和排水系统的维护活动，成为废水和室内环境中微生物污染的长期来源。
**5.2. 生物膜、抗菌素耐受性与耐药性发展**
生物膜提供结构化生态位，可支持抗菌素耐受性并可能促进抗菌素耐药性的持续存在和传播。生物膜内细胞可表现出对远高于浮游细胞有效浓度的抗菌剂的表型耐受性，由有限扩散、代谢活性降低、应激诱导基因表达和持留细胞存在等机制驱动。在医院灰水系统中，持续暴露于亚致死浓度的消毒剂、抗生素和杀生物剂可能进一步增强选择压力，有利于耐药群体并增加ARGs丰度。生物膜内高微生物密度和空间接近性可促进由质粒、转座子和整合子介导的水平基因转移，加速耐药性特征跨分类学多样微生物的传播。多微生物生物膜，包括细菌-真菌联合（如白色念珠菌），可进一步增强抗菌素耐受性和持续存在。
**5.3. 对医疗保健相关感染和脆弱人群的影响**
医院灰水系统中机会性病原体和抗菌素耐药微生物的持续存在可能构成HAIs的潜在风险因素，尤其对于免疫受损患者、老年人和接受侵入性操作者。产气雾水出口如淋浴和水龙头已多次被牵连至军团菌属、非结核分枝杆菌和铜绿假单胞菌的暴发。尽管感染很少由直接接触灰水引起，间接暴露途径——包括吸入气溶胶、接触污染表面和维护期间的交叉污染——是常在感染预防和控制策略中被低估的关键风险途径。
**5.4. 环境传播与“同一健康”视角**
医院灰水排放后进入市政废水系统，源自医院生物膜的微生物和耐药性决定因子可能通过废水处理过程持续存在并进入受纳环境，贡献于环境抗性组，并可能通过水回用、农业实践或娱乐接触重新引入人类和动物群体。从“同一健康”视角看，医院灰水系统代表连接临床环境、环境库和社区健康的关键但监管不足的节点。
**5.5. 知识空白与未来方向**
尽管对医院废水在传播抗菌素耐药性中的作用认识日益增强，关于内部灰水系统仍存在显著知识空白，包括缺乏标准化监测协议、管道生物膜中ARGs的定量数据有限、真菌-细菌相互作用评估不足以及缺乏针对医疗设施内灰水管理的具体指南。未来研究应优先开展长期、医院特异性研究，整合微生物学、分子和工程方法，以更好表征生物膜动力学、评估干预效果并支持循证政策制定。**
