抗疫深度 城市水循環(huán)中大流行病毒的來源和歸宿
新興研究者系列：城市水循環(huán)中大流行病毒的來源和歸宿
最近發(fā)生的幾起重大疫情，例如SARS，MERS（中東呼吸綜合癥），埃博拉病毒和禽流感，引起了人們對(duì)持續(xù)致命的病毒性大流行風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)注。通常，由于這些包膜病毒在市政污水中的濃度較低，并且在水環(huán)境中極易降解，因此對(duì)污水和水行業(yè)的威脅不大。然而，許多臨床報(bào)告表明，某些包膜病毒在感染過程中會(huì)從人糞便中排出。此外，生存能力研究表明，許多包膜病毒在水環(huán)境中能夠存活數(shù)天至數(shù)月。本文中主要研究城市水循環(huán)中包膜病毒的潛在存在及其歸宿，重點(diǎn)是冠狀病毒（例如，SARS和MERS）和禽流感病毒。并且確定了一些不容忽視的問題，只有當(dāng)供水和污水企業(yè)回答了這些問題，并向公眾展示相關(guān)的事實(shí)，才能讓公眾確信灌溉水源、娛樂水源以及飲用水源是完全安全的。
引言
近年來，病毒爆發(fā)引發(fā)了人們對(duì)致死病毒大流行的高度關(guān)注。其中包括2003年的非典型性肺炎冠狀病毒（SARS-CoV）、2012年中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）、分別在2003和2013年爆發(fā)的高致病性H5N1和H7N9禽流感病毒，以及2014年爆發(fā)的埃博拉病毒（見表1）。由于病毒大爆發(fā)是毀滅性的，所以其引發(fā)公眾的恐慌在所難免。如1918年流感大流行時(shí)，兩年導(dǎo)致5000萬人喪生，全世界三分之一的人感染。盡管SARS，MERS，H5N1和H7N9禽流感以及埃博拉病毒的造成的感染和死亡人數(shù)的數(shù)量級(jí)低于人類大流行性流感的數(shù)量級(jí)（表1）。但科學(xué)家和公共衛(wèi)生部門仍十分小心的監(jiān)視著這些病毒是否有再次出現(xiàn)或是在人與人之間更易傳播的跡象。
病毒引發(fā)的傳染病每年都會(huì)出現(xiàn)或重新出現(xiàn)，盡管大多數(shù)不會(huì)像麻疹或人類季節(jié)性流感等常見病毒一樣嚴(yán)重威脅公共衛(wèi)生安全。在1980-2005這二十五年間，人類報(bào)告發(fā)現(xiàn)了約87種新的病原體，其中三分之二屬于病毒。而RNA病毒(如SARS和H5N1流感病毒)在這些新發(fā)現(xiàn)的病毒中占比達(dá)到85%，其主要原因是單鏈的RNA病毒突變率很高。新發(fā)現(xiàn)或者重復(fù)出現(xiàn)的人類病毒通常具有動(dòng)物宿主（稱為人畜共患病），并且因?yàn)槿蚵糜?、森林砍伐、工業(yè)化養(yǎng)殖、動(dòng)物市場(chǎng)交易以及野生動(dòng)物狩獵等活動(dòng)的增加而加劇。未來幾年，氣候變化等因素也會(huì)使某些病毒傳播范圍更廣。如果發(fā)生病毒大規(guī)模爆發(fā)，污水處理和飲用水處理作為一條潛在的傳播途徑，對(duì)其的監(jiān)管也應(yīng)有所加強(qiáng)（圖1）。公用事業(yè)部門需要作出迅速反應(yīng)，并且根據(jù)已經(jīng)積累的現(xiàn)有證據(jù)做出決策來最大程度地降低職業(yè)和公共健康危害的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過處理的污水作為休閑娛樂、灌溉用水以及飲用水的共同來源，盡管在處理過程已經(jīng)大幅降低了病毒水平，但在污水處理廠的污水中，仍能檢測(cè)到感染人體的病毒的存在。如果新型人類病毒通過被感染人群的糞便、尿液或者嘔吐物擴(kuò)散，則會(huì)進(jìn)入市政污水處理系統(tǒng)并最終進(jìn)入市政污水處理廠。2014年美國的埃博拉病毒病例就突顯出缺乏關(guān)于人體廢物和污水中新型病毒的存在和去向的數(shù)據(jù)。在這種情況下，政府部門表示，埃博拉病毒在人類宿主之外迅速失活，因此市政污水和已經(jīng)處理過的污水中沒有顯著的職業(yè)和公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)時(shí)對(duì)埃博拉病毒在人類宿主以外的存活能力的研究很少，也沒有任何市政污水中埃博拉病毒存活率的研究。自那以后，對(duì)于環(huán)境中埃博拉病毒及其相關(guān)替代物的研究才開始出現(xiàn)，并發(fā)表與相關(guān)文獻(xiàn)中。目前，關(guān)于埃博拉病毒在人宿主之外快速滅活的假設(shè)尚未得到驗(yàn)證。
對(duì)于城市水循環(huán)系統(tǒng)中病毒的研究，大多數(shù)都集中在腸道病毒這些較小的樣本中。（即，這些病毒在胃腸道中復(fù)制并易于通過糞-口途徑傳播；表2）。腸道病毒顆粒由受蛋白質(zhì)外殼（即，衣殼）保護(hù)的RNA或DNA基因組組成。并且腸道病毒具有抗熱、抗酸、抗氧化等能力，因此可以在環(huán)境中存活較長時(shí)間。而包膜病毒（如流感病毒，冠狀病毒和埃博拉病毒），還有一層由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的外殼。通常包膜病毒不會(huì)通過人類糞便等途徑傳播，并且在水環(huán)境中更易失活。然而最新污水病毒宏基因組的研究表明，污水中含有多種人類病毒，其中也包括一些包膜病毒。盡管污水中檢測(cè)到病毒基因并不等于有活的病毒存在，但污水宏基因組學(xué)研究促使人們更審慎的對(duì)待水行業(yè)應(yīng)對(duì)病毒爆發(fā)的應(yīng)對(duì)策略，以及政府部門對(duì)并流行病爆發(fā)的應(yīng)急機(jī)制。
本文通過對(duì)污水中新型病毒文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，為污水處理和飲用水處理行業(yè)提供相關(guān)信息，并為將來病毒爆發(fā)時(shí)做好準(zhǔn)備。根據(jù)世界衛(wèi)生組織指引中對(duì)流感大流行的定義，即一種新病毒的出現(xiàn)，對(duì)導(dǎo)致人類嚴(yán)重的疾病，且很容易發(fā)生持續(xù)的人傳人現(xiàn)象。相對(duì)而言，爆發(fā)事件是指特定區(qū)域的疾病水平升高到正常水平以上。冠狀病毒和禽流感病毒這兩類包膜病毒對(duì)于社區(qū)污水和飲用水安全尤為重要，因?yàn)橐呀?jīng)確認(rèn)這兩類病毒存在于人的糞便中并且具備在水環(huán)境中存活的特征。冠狀病毒包括導(dǎo)致SARS和MERS全球爆發(fā)的病毒，禽流感病毒通常會(huì)引發(fā)禽類病癥，但偶爾也會(huì)傳染給人導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病。這些通常都是呼吸道病毒，但某些冠狀病毒（例如SARS）和禽流感病毒可以通過糞便在水中傳播，并且在近期爆發(fā)的疫情中呈現(xiàn)較高的致死率（表1）。如上所述，這些包膜病毒在結(jié)構(gòu)上與腸道病毒不同，后者一直是水生病毒研究中的重點(diǎn)，因而被認(rèn)為在水環(huán)境中有不同的特性。
表1 動(dòng)物源性病毒引發(fā)在人類間迅速傳播的疾病案例。案例按爆發(fā)起始時(shí)間排列
污水中的潛在流行病毒
人類病毒不會(huì)在環(huán)境中增殖。因此，如果病毒通過城市水循環(huán)系統(tǒng)傳播，必須借助人體體液進(jìn)入水中，以保持其傳染性，直到另一個(gè)人接觸到被病毒污染的水體（圖1）。通常，人們只研究腸道病毒在水環(huán)境中的存在和歸宿，相關(guān)法規(guī)中也是如此。例如，美國環(huán)保署發(fā)布的地表水處理規(guī)范和地下水處理規(guī)范。除了普通的腸道病毒，污水中還含有大量的其他病毒。例如，在未處理的污泥和B類生物固體中，超過80%的樣本中含有冠狀病毒的基因，其次是風(fēng)疹病毒基因。
人類病毒會(huì)隨著感染者的糞便和尿液進(jìn)入市政污水中，通過qPCR和培養(yǎng)等方法，已經(jīng)可以定量測(cè)定市政污水中人類腸道病毒的濃度，據(jù)報(bào)道濃度達(dá)到每升水中含有109 個(gè)基因組序列（表 2）。而那些尚未進(jìn)行研究但存在于污水中的病毒，有關(guān)它們存在于人類糞便和尿液的信息足以闡明其在水循環(huán)中可能具有重要的影響。糞便和尿液樣本鮮少用于研究非腸道疾病，但呼吸道合胞病毒、人鼻病毒、冠狀病毒和季節(jié)性流感病毒等均已經(jīng)在糞便樣本被檢測(cè)出來。在大多數(shù)情況下，糞便中存在呼吸道病毒被認(rèn)為是患者吞咽了攜帶病毒的鼻腔分泌物所引起的。不幸的是，PCR技術(shù)通常只用于檢測(cè)人體樣本的病毒，并不能傳遞傳染性的信息。
表2 與水和污水行業(yè)有關(guān)的人類病毒
流感病毒
流感病毒是具有節(jié)段的單鏈RNA包膜病毒，其能感染人類以及其他動(dòng)物，如禽類和豬。上個(gè)世紀(jì)，流感病毒已引起四次人類大流行，包括1918年的H1N1西班牙流感大流行，1957-1958年的H2N2亞洲流感大流行，1968-1969年的H3N2香港流感大流行以及2009年 H1N1“豬流感”大流行。這些大流行是由于人類缺乏對(duì)新型病毒的免疫力而引起的。當(dāng)動(dòng)物流感病毒和人流感病毒雜交時(shí)會(huì)產(chǎn)生新型病毒，也可由動(dòng)物病毒直接傳染給人類（如：禽流感病毒）。
人流感病毒
季節(jié)性人類流感病毒不斷在全球傳播，導(dǎo)致季節(jié)性流行病。病毒在傳播時(shí)會(huì)通過一種稱為抗原漂移的現(xiàn)象緩慢變異。發(fā)病主要表現(xiàn)為呼吸道癥狀和發(fā)燒，偶爾也會(huì)出現(xiàn)胃腸道癥狀，特別是兒童。季節(jié)性流感通過飛沫、空氣和接觸等方式傳播，三種傳播方式相對(duì)重要性仍不清楚。至于人類季節(jié)性流感可能通過污水進(jìn)行傳播的問題，已在人類糞便樣本,和市政污水中檢測(cè)出病毒RNA。每克糞便中含量約為4.9× 103 to 8.0 × 107 PCR拷貝數(shù)，但這被質(zhì)疑是由于患者吞咽了攜帶病毒的鼻腔分泌物，或病毒通過血液擴(kuò)散到其他器官。正常的人腸道細(xì)胞中不存在流感病毒受體，因此病毒不太可能感染腸道細(xì)胞并在此增殖。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)中證據(jù)表明，即使在大規(guī)模爆發(fā)期間，市政污水中也不可能存在高濃度的人類季節(jié)性流感病毒。。
禽流感病毒
禽類中引起較小的疾病并且很少致命，而高致病性禽流感病毒在禽類中迅速傳播并且具有很高的致死性。在極少數(shù)情況下，高致病性禽流感病毒可以傳染給人類，通常是由于人類接觸了大規(guī)模的家禽時(shí)。人類禽流感具有很高的致死率（表1），但近期尚未發(fā)生持續(xù)的人傳人現(xiàn)象。令人深感擔(dān)憂的是，如果未來禽流感傳染給人后產(chǎn)生變異，可能會(huì)導(dǎo)致其更易人傳人進(jìn)而人群中大面積傳播。這一假設(shè)性事件可能導(dǎo)致類似于20世紀(jì)西班牙流感大流行的一場(chǎng)致命的禽流感大流行。
與季節(jié)性人流感不同，高致病性禽流感病毒是通過糞便-口途徑在鳥類中傳播的，并與禽腸組織上的受體結(jié)合（即胃腸道感染）。2004年，當(dāng)高致病性H5N1病毒從禽類傳染給人類時(shí)，許多患者出現(xiàn)了嚴(yán)重的腹瀉 ，糞便樣本中發(fā)現(xiàn)了病毒，并且這些病毒感染人的腸道組織中并在此增殖。2013年，人類中出現(xiàn)的新型禽流感H7N9病毒的基因也頻繁的在糞便樣本中檢測(cè)出。雖然尚未被確定為禽流感病毒，人類H1N1病毒也表現(xiàn)出異常高發(fā)胃腸道癥狀，在糞便中檢出感染性病毒顆粒并且在腸道細(xì)胞中有效復(fù)制。
迄今為止，人類感染的禽流感病毒（如H5N1和H7N9）受限于其人傳人的能力，沒有造成大范圍的影響。但公共衛(wèi)生部門擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)新的變種，而新的變種容易在人與人之間傳播。如果發(fā)生此類情況，人類沒有對(duì)該病毒的免疫力，而開發(fā)出有效的疫苗需要時(shí)間。這很可能爆發(fā)疫情或大流行。屆時(shí)，禽流感病毒將會(huì)進(jìn)入市政污水，甚至病毒濃度可能很高。
冠狀病毒
SARS-CoV于2003年在香港出現(xiàn)，并引起嚴(yán)重的下呼吸道疾病，死亡率高。在香港的一座公寓內(nèi)，一共確診319例病例，病毒借助霧化的糞便，通過公寓大樓中的通風(fēng)管爆發(fā)和傳播。盡管主要表現(xiàn)為呼吸系統(tǒng)疾病，但在感染者的糞便檢測(cè)出了SARS-CoV RNA，不同人群的檢出率在16%-97%之間。出現(xiàn)腹瀉的患者檢出率為23%-73%，特別是患病的第一周。
在發(fā)病后9至14天，糞便樣本中的SARS-CoV RNA水平達(dá)到峰值，某一病例發(fā)病后長達(dá)73天內(nèi)的糞便樣本呈陽性反應(yīng)。
糞便中檢出SARS-CoV可能因?yàn)槠淠茉谛∧c和大腸中進(jìn)行增殖，已有小腸感染病毒的樣本作可為證據(jù)。
除SARS-CoV，還有五種已知的人類冠狀病毒。MERS-CoV于2012年出現(xiàn)于沙特阿拉伯，截止撰寫本文時(shí)，已確診1110位病例，并導(dǎo)致456人死亡。在一例患者的糞便和尿液中檢測(cè)出了較低水平的MERS-CoV RNA（每毫克約103個(gè)基因拷貝），但在另外另個(gè)患者的樣本中卻未檢測(cè)到。此外，人類冠狀病毒HKU1（HKU1-CoV）RNA也在一些有胃腸癥狀的患者糞便樣本中被檢測(cè)出。在近期的污水宏基因組研究中HKU1-CoV從美國不同的污水處理廠污泥樣本中檢測(cè)出，雖然尚未用PCR的方法進(jìn)行確認(rèn)。不幸的是，HKU1病毒在糞便和污水樣本中的傳染性尚未可知。其余的三種人類冠狀病毒（HCoVNL63, HCoV-OC43, andHCoV-229E）同樣在糞便樣本中檢出但尚未確認(rèn)它們對(duì)胃腸道感染有顯著作用。基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，目前正在傳播的人類冠狀病毒對(duì)城市水循環(huán)系統(tǒng)造成重大威脅的可能性較低。話雖如此，如果未來出現(xiàn)像SARS-CoV這樣高毒性的新型冠狀病毒，仍可能對(duì)水和污水處理行業(yè)構(gòu)成挑戰(zhàn)。
在城市水循環(huán)中包膜病毒的歸宿
城市水循環(huán)的主要組成部分包括飲用水供應(yīng)，污水處理和雨水徑流。糞便，尿液或嘔吐物中排出的病毒通過人類生活污水進(jìn)入城市水循環(huán)。因此，我們將討論的重點(diǎn)放在城市水循環(huán)中污水和污水處理的包膜病毒歸宿上，討論中也包括包膜病毒在天然水和飲用水處理過程中歸宿的非常有限的數(shù)據(jù)。
污水中的病毒濃度
在大流行的情況下，污水中的病毒濃度將取決于社區(qū)中被感染的人數(shù)和被感染者釋放病毒的速度。關(guān)于污水中人類病毒滴度的大多數(shù)數(shù)據(jù)是基于腸病毒和qPCR測(cè)量值的（表2）。報(bào)告顯示，污水進(jìn)水中病毒濃度高達(dá)每升108–109個(gè)基因組拷貝數(shù)（gcL-1）。評(píng)估污水中感染性病毒顆粒濃度的研究相對(duì)較少，這可能是由于細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)有限和病毒提取方法的問題所致。
污水進(jìn)水中的腸病毒，腺病毒和輪狀病毒已經(jīng)被監(jiān)測(cè)，報(bào)告顯示，病毒濃度通常低于104個(gè)每升噬菌斑形成單位（PFU）或感染單位（IU）。從糞便中釋放的病毒傾向于處于聚集狀態(tài)，并且病毒提取方法的回收率極低。因此，報(bào)告的PFU L-1值可能會(huì)大大低估了污水中感染性病毒顆粒的數(shù)量。
如果缺少污水中病毒數(shù)量的數(shù)據(jù)，則人類糞便或尿液樣本中的病毒數(shù)量可能有助于預(yù)測(cè)病毒暴發(fā)期間污水中的病毒水平。正如預(yù)期的那樣，與腸道疾病相關(guān)的病毒在人類糞便樣本中的數(shù)量要高于與呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)的病毒。與暴發(fā)期間污水中高達(dá)109 gcL-1的濃度相比，人類糞便樣品中的諾如病毒濃度可能高于1010 gcg-1,。人類多瘤病毒（JCPyV和BKPyV）在人尿中的濃度可超過1010gc L-1，在污水中濃度可達(dá)108 gc L-1。糞便中流感病毒的量可達(dá)到8.0×107 gc g-1，腹瀉情況下SARS病毒在糞便中的量為107gc mL-1 ，尿液中為2.5×104gc mL-1。由于這些是報(bào)告中出現(xiàn)的最高水平，因此它們可用于預(yù)測(cè)污水中病毒在最壞情況下的濃度。
在城市污水中生存
要引起城市水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)注，通過糞便或尿液排泄的病毒必須能在污水中保持其感染性，指導(dǎo)其與人接觸（圖1）進(jìn)入污水處理系統(tǒng)的人類廢棄物通過復(fù)雜的地下管道系統(tǒng)輸送到市政污水處理廠。盡管發(fā)達(dá)國家的城市環(huán)境中產(chǎn)生的大部分污水進(jìn)入污水處理廠，但仍有一部分污水會(huì)滲漏入地下，在潮濕多雨天氣下，未經(jīng)處理的污水可能排放到地表水中。從漏損的管道釋放到地下的未經(jīng)處理污水可能會(huì)滲入飲用水輸送管道，從而導(dǎo)致飲用水污染。未經(jīng)處理的污水排放到地表水中會(huì)通過娛樂活動(dòng)而導(dǎo)致暴露，并可能污染由地表水直接補(bǔ)給的地下水。
污水管網(wǎng)和污水處理廠的水力停留時(shí)間通常少于一天。在人體外，病毒對(duì)環(huán)境因素表現(xiàn)出多種敏感性，T90值（即90％的病毒被滅活所需的時(shí)間），范圍從數(shù)分鐘到數(shù)年不等（表3）。關(guān)于生存能力的數(shù)據(jù)僅源于體外培養(yǎng)、可以檢測(cè)的病毒;不可培養(yǎng)病毒的生存能力通常是根據(jù)可感染的類似病毒的生存能力來預(yù)測(cè)的。通常認(rèn)為帶有脂質(zhì)被膜的病毒在水性環(huán)境中容易喪失感染力。
表3 水環(huán)境中包膜病毒達(dá)到90％滅活的時(shí)間（?90）與非包膜脊髓灰質(zhì)炎病毒達(dá)到90％滅活的時(shí)間對(duì)比
懸浮固體和有機(jī)物質(zhì)的存在增加了腸病毒在水性環(huán)境中的生存能力。同樣，冠狀病毒在未過濾的初級(jí)出水的存活時(shí)間要比在過濾后的初級(jí)出流中的存活時(shí)間更長。77在有沉積物和有機(jī)物質(zhì)的情況下，可以保護(hù)病毒免受化學(xué)和生物滅活劑的影響來提高其存活率。外來物質(zhì)也可能導(dǎo)致其更快滅活，對(duì)比在巴氏殺菌沉淀污水和蒸餾水中的冠狀病毒活性可知，并且不同的病毒和環(huán)境樣品之間差異很大。
高度相似的菌株可能在不同的環(huán)境下穩(wěn)定性不同（表3）。例如，在相同條件下，SARS-CoV在培養(yǎng)基中的感染力喪失速度遠(yuǎn)低于人類冠狀病毒229E（表3）。同樣，類似的禽流感病毒在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，T90值的范圍為58至171天。但敏感性差異的機(jī)理尚不清楚。病毒脂質(zhì)膜可能起到一定作用，因?yàn)榧竟?jié)性流感病毒在不同類型的細(xì)胞中生長，其脂質(zhì)膜的來源也不同，因此在水中的穩(wěn)定性也不同。根據(jù)已有的生存能力數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為在人的糞便或尿液中排出的包膜病毒可以在水性環(huán)境中存活一段時(shí)間，這與污水和飲用水處理領(lǐng)域有關(guān)。當(dāng)社區(qū)中的發(fā)病率很高且污水溫度較低時(shí)，在污水處理廠的進(jìn)水中感染病毒的濃度也可能會(huì)很高。
污水處理
總所周知，沒有關(guān)于污水處理后包膜病毒歸宿的報(bào)告。無包膜的人類病毒去除和滅活的程度取決于病毒的類型以及特定污水處理廠采用的處理工藝。腸道病毒，腺病毒和呼吸道腸道病毒在初級(jí)污水處理（即沉淀）中的去除率很低，報(bào)告稱減少量低于1個(gè)數(shù)量級(jí)。在二級(jí)處理中，腸道病毒和腺病毒的去除更有效，報(bào)告稱減少了1-4個(gè)數(shù)量級(jí)，但呼吸道腸道病毒減少量小于1個(gè)數(shù)量級(jí)?；钚晕勰嘀械娜コ揽慷?jí)處理工藝中二沉池，池內(nèi)固體吸附病毒，隨后使其失活。最后的消毒步驟對(duì)于減少污水中的感染性病毒數(shù)量至關(guān)重要，但即使是經(jīng)過消毒的污水也可能包含感染性病毒。通過對(duì)十座不同規(guī)模和處理工藝的處理廠的調(diào)查，搜集消毒之前的污水樣本中發(fā)現(xiàn)，污水處理可使感染性腸病毒減少 0到2個(gè)數(shù)量級(jí)，感染性腺病毒減少2至>3個(gè)數(shù)量級(jí)。在另一項(xiàng)對(duì)五座污水處理廠的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，從進(jìn)水到消毒出水，感染性病毒的對(duì)數(shù)去除率在1.9到5.0之間。每個(gè)污水處理廠除水中均監(jiān)測(cè)到了感染性病毒。
在固相處理中，消化作用對(duì)非包膜病毒的影響各不相同，好氧消化比中溫消化更有效。經(jīng)過中溫消化處理的B類污泥中，檢測(cè)到感染性腸病毒和腺病毒頻次較高。采用最大可能法（MPN）計(jì)算污泥中腸病毒和腺病毒的濃度分別在每克101-103和102-104個(gè)之間。與中溫消化法和高溫消化法相比，用熱干化和堆肥法處理污泥可顯著降低最終產(chǎn)物中的病毒水平。一旦施用于土地，吸附在污泥上的病毒就會(huì)滲出。也有證據(jù)表明，在土地施用過程中，污泥中的病毒被霧化，導(dǎo)致空氣傳播的巨大風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該再次強(qiáng)調(diào)，所有關(guān)于污水處理中病毒歸宿的研究都集中在非包膜病毒上。
在自然水體中生存
感染性病毒經(jīng)常通常隨污水處理廠排放或合流制溢流而進(jìn)入到地表水中。在地表水中，許多潛在因素會(huì)導(dǎo)致病毒失活，包括陽光，氧化物，微生物捕食等等。
由于自然水體可能是流感病毒的環(huán)境儲(chǔ)存庫，因此對(duì)自然水體中的包膜病毒的研究主要集中在禽流感病毒上。從康斯坦茨湖收集的地表水樣品中，禽流感病毒在高于冰點(diǎn)的溫度下生存時(shí)間在10-100天之間（表3）。此案例中樣品并未暴露在陽光照射下。禽流感病毒在冰凍的自然水體樣本中可以存活數(shù)月至數(shù)年。該病毒在pH7.4和8.2之間最穩(wěn)定，在pH 6.5以下和pH10以上迅速失活。目前仍然缺乏陽光照射導(dǎo)致禽流感病毒失活的公開數(shù)據(jù)。
飲用水處理
對(duì)飲用水處理中包膜病毒歸宿的研究表明目前仍然需要更多的實(shí)驗(yàn)。凝結(jié)-絮凝-沉降過程在去除H5N1流感病毒方面效果不佳或處理效果不夠穩(wěn)定。超濾可有效去除H5N1病毒，而噬菌體MS2是這個(gè)過程的有效替代品。通常，包膜病毒比非包膜病毒更容易被常見的飲用水消毒劑滅活。H5N1流感很容易被UV254滅活，在劑量為25mJ/cm2時(shí)即可達(dá)到高于5個(gè)數(shù)量級(jí)的滅活效果。而在相同劑量對(duì)腸病毒替代物的噬菌體MS2僅能達(dá)到低于2個(gè)數(shù)量級(jí)的滅活效果。低致病性H5N2流感是高致病性H5N1流感的一種替代品，也很容易被紫外線滅活。另一方面，SARS-CoV，在紫外線消毒的后仍然存在。氯消毒對(duì)水樣中流感病毒的滅活效果良好。在室溫下，一氯胺消毒后， H1N1和H5N1病毒達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)的滅活效果所需的一氯胺CT值（即消毒劑劑量和接觸時(shí)間的乘積）低于60mg/(L·min) ；EPA建議為達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)的滅活效果，在20°C下一氯胺CT值應(yīng)高于700 mg/(L·min)。目前仍然需要更多水質(zhì)工程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能得出關(guān)于污水和飲用水處理過程中病毒歸宿的主要結(jié)論。
檢測(cè)水中的包膜病毒
缺乏成熟的檢測(cè)方法阻礙了對(duì)水中包膜病毒的存在和歸宿的研究。檢測(cè)和定量環(huán)境樣品中的病毒需要首先將樣品中的病毒濃縮，以提高檢測(cè)限。大多數(shù)可用方法都是針對(duì)非包膜腸病毒設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，盡管付出了很多努力，但仍沒有共識(shí)性的濃縮方法。已發(fā)布的腸道病毒濃縮方法側(cè)重于一系列過濾過程，超離心，不同pH值下的PEG沉淀，添加化學(xué)藥劑，過濾器類型和離心機(jī)轉(zhuǎn)速等要素組合起來。包膜 使病毒對(duì)有機(jī)溶劑，溫度和pH更敏感；因此，許多用于非包膜腸病毒的提取和純化方法對(duì)于包膜病毒不適用。例如，使用氯仿或氯化銫溶液的操作步驟會(huì)破壞脂質(zhì)外層，因此應(yīng)避免使用。采用正電過濾和氫氧化鋁沉淀法從醫(yī)院污水中僅回收了1.02％的SARS冠狀病毒。相比之下，污水中非包膜病毒的回收率高達(dá)80％，盡管通常情況下回收率要低得多。作為從環(huán)境樣品中優(yōu)化包膜病毒回收率的少數(shù)嘗試之一。Deboosere使用玻璃棉過濾和聚乙二醇（PEG）沉淀的方式，對(duì)湖水中的甲流病毒實(shí)現(xiàn)了8%的回收率。即使采用了純化步驟，病毒濃縮物通常也包含會(huì)干擾檢測(cè)方法的物質(zhì)，但可以通過稀釋或添加消除劑等物質(zhì)將其降至最低。未來環(huán)境監(jiān)測(cè)是否成功將取決于提取純化技術(shù)發(fā)展與廣泛應(yīng)用。
樣品濃縮物中的病毒通常通過基因法和培養(yǎng)法進(jìn)行定性或定量檢測(cè)。PCR法可檢測(cè)病毒基因，目前最常用于檢測(cè)環(huán)境和臨床樣品中的特定病毒。PCR法的流行主要由于其檢測(cè)速度往往比培養(yǎng)法快得多，而且提供了物種和菌株特異性的鑒定，以及可以檢測(cè)目前無法進(jìn)行體外培養(yǎng)的病毒。PCR法的缺點(diǎn)是它們無法表征病毒感染力，而且需要開發(fā)合適的引物。因此，如果引物設(shè)計(jì)不當(dāng)或病毒已在目標(biāo)基因組區(qū)域發(fā)生突變，則可能無法檢測(cè)到病毒。宏基因組方法旨在對(duì)樣本中所有的病毒進(jìn)行測(cè)序，目前越來越多地用于病毒檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)，并且無需事先對(duì)病毒有任何了解。糞便和環(huán)境樣品中的RNA和DNA病毒都已完成測(cè)序。RNA病毒的測(cè)序方法是先用隨機(jī)引物對(duì)RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄，然后對(duì)cDNA進(jìn)行測(cè)序。目前，由于高昂的樣品成本，龐大的數(shù)據(jù)集和缺乏絕對(duì)定量分析，高通量測(cè)序不適于進(jìn)行常規(guī)病毒檢測(cè)。此外，由于樣品中遺傳物質(zhì)的豐度高，對(duì)某些特定病毒而言宏基因組方法的檢測(cè)限通常比PCR差。經(jīng)過測(cè)序后，PCR法通常用于確認(rèn)目標(biāo)病毒的存在。應(yīng)當(dāng)指出的是，用于濃縮病毒并將其與其他有機(jī)體分離的方法會(huì)影響病毒宏基因組數(shù)據(jù)。
病毒培養(yǎng)方法（例如噬菌斑測(cè)定或細(xì)胞病變效應(yīng)測(cè)定）由于能夠表征病毒的感染狀態(tài)，而在環(huán)境病毒學(xué)中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，而PCR或測(cè)序技術(shù)則無法實(shí)現(xiàn)。例如，需要關(guān)注環(huán)境或工程過程中人類病毒的歸宿時(shí)，或者需要評(píng)估樣品對(duì)人類健康構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，病毒培養(yǎng)仍然是唯一可靠的檢測(cè)方法。不幸的是，許多重要的人類病毒無法進(jìn)行體外培養(yǎng)，例如MERS-CoV。對(duì)于那些病毒，分子檢測(cè)方法仍然是最佳且唯一的選擇。
基于PCR和基于培養(yǎng)的方法均用于檢測(cè)人或環(huán)境樣品中的流感病毒。在PCR中，基質(zhì)（M）基因通常作為目標(biāo)基因，可同時(shí)檢測(cè)所有流感亞型，而血凝素（HA），神經(jīng)氨酸酶（NA）和其他基因作為目標(biāo)基因，用于檢測(cè)特定的流感亞型。甲型流感檢測(cè)結(jié)果陽性，然后亞型特異性檢測(cè)結(jié)果陰性，可以檢測(cè)出潛在的新菌株。這種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)2009年H1N1型流感的鑒定。甲型流感病毒很容易在雞胚蛋和多數(shù)細(xì)胞系，尤其是MDCK細(xì)胞系中培養(yǎng)和計(jì)數(shù)。在MDCK細(xì)胞中培養(yǎng)的病毒可以通過噬菌斑測(cè)定或50％組織培養(yǎng)物感染劑量（TCID50）進(jìn)行計(jì)量。
采用PCR檢測(cè)法，即使不是全部的冠狀病毒，針對(duì)聚合酶基因保守區(qū)的引物也可以在檢測(cè)限為5×101–5×103基因拷貝數(shù)的數(shù)量級(jí)下，檢測(cè)出絕大多數(shù)的冠狀病毒。簡并引物也可用于檢測(cè)多種冠狀病毒。特定的冠狀病毒引物以S糖蛋白或核衣殼蛋白基因?yàn)槟繕?biāo)。由于人類冠狀病毒有著不同的細(xì)胞嗜性，因此無法在相同類型的細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行培養(yǎng)。例如，SARS-CoV和HCoV- NL63可以在常見的細(xì)胞系中輕松培養(yǎng)，例如CaCO-2（SARS）和LLC-MK2（HCoV-NL63）。HCoV-229E和HCoV-OC43雖然也能夠進(jìn)行體外培養(yǎng)，但是條件要求更加苛刻，且可供進(jìn)行復(fù)制的宿主范圍更小。剩余的兩種已知的人類冠狀病毒HCoV-HKU1和MERS-CoV，不容易在現(xiàn)有的細(xì)胞系中培養(yǎng)。因此，它們?cè)诃h(huán)境樣品中的傳染性和最終歸宿無法輕易測(cè)定。
結(jié)論
目前，關(guān)于城市水循環(huán)在包膜病毒（尤其是禽流感病毒和冠狀病毒）傳播中的潛在作用方面存在大量知識(shí)空白。為了解決此問題，我們建議環(huán)境工程師，病毒學(xué)家和公共衛(wèi)生研究人員共同努力進(jìn)行以下研究：
(1)需要開發(fā)和優(yōu)化從復(fù)雜的樣品基質(zhì)（如廢水，殘留的生物固體和地表水）中提取和純化包膜病毒的方法。在測(cè)試過程中，應(yīng)在樣品中摻入一系列包膜病毒以及腸道病毒或腸道病毒替代品，以更好地了解提取回收率如何隨病毒的物理特性而變化。
(2)研究應(yīng)解決在水環(huán)境中包膜病毒生存能力的變異性。例如，禽流感病毒株的哪些結(jié)構(gòu)特征使其比其他包膜病毒在水中保持更長時(shí)間的感染性？
(3)研究應(yīng)針對(duì)在廢水和飲用水處理過程中的存在和歸宿，以及包膜病毒何時(shí)通過廢水排放或向土地施用生物質(zhì)而釋放到環(huán)境中的。只要有可能，這些方法都應(yīng)針對(duì)可進(jìn)行體外培養(yǎng)的病毒，以便報(bào)告基因拷貝濃度以及病毒感染濃度。
(4)應(yīng)將更多研究集中在高致病性病毒（如禽流感病毒株）的環(huán)境歸宿上。如表3中的數(shù)據(jù)所示，相似的病毒可能表現(xiàn)出截然不同的生存能力特征，替代物可能無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高致病性病毒的環(huán)境歸宿。此類研究需要在BSL3及BSL4級(jí)別的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。由于大多數(shù)環(huán)境病毒學(xué)家無法進(jìn)入此級(jí)別的實(shí)驗(yàn)室或沒有接受過此級(jí)別的生物安全性培訓(xùn)，因此未來需要更加廣泛的協(xié)作。
(5)應(yīng)對(duì)廢水，娛樂用水和飲用水中的高致病性包膜病毒進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
這些研究問題對(duì)于環(huán)境工程和公共衛(wèi)生應(yīng)對(duì)進(jìn)入城市水循環(huán)并可能造成致命性爆發(fā)或大流行的包膜病毒而言至關(guān)重要。
來源： E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)