王珺瑜， 趙曉麗， 梁為綱， 牛 琳， 汪 霞， 王曉蕾

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012

2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 北京 100875

目前，由新型冠狀病毒(2019-nCoV)感染引起的急性呼吸道傳染病在世界各地流行，世界衛(wèi)生組織將其命名為新型冠狀病毒肺炎(COVID-19). 2020年3月11日，世界衛(wèi)生組織宣布COVID-19為全球大流行病，表明該疾病已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛傳播[1]. 2019-nCoV的傳播途徑主要為接觸傳播、飛沫傳播和氣溶膠傳播[2]. 然而，目前已有研究在確診患者的糞便中檢測出2019-nCoV核酸[3-5]，最新研究首次在污水中檢測出2019-nCoV[6]，進(jìn)一步揭示了病毒通過糞-口傳播的可能性.

長期實(shí)踐表明，人類和動(dòng)物的排泄物是水體病毒性污染的重要來源，許多病毒可以通過糞便和尿液排出體外，帶來潛在的水污染風(fēng)險(xiǎn)[7]. 在許多病毒性疾病發(fā)生和流行的過程中，水是病毒傳播的一種重要媒介[8]. 許多病毒在水環(huán)境中能保持幾天到幾個(gè)月的傳染性，并在城市水循環(huán)系統(tǒng)中遷移和傳播(見圖1). 目前已發(fā)現(xiàn)的介水傳播病毒有700余種，其中大約有140余種可以通過糞便進(jìn)入水體[8]，包括SARS病毒、甲型肝炎病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒、諾如病毒、輪狀病毒、腺病毒和流感病毒等. 介水傳播病毒一旦未被及時(shí)防控，將借助水流四處傳播，導(dǎo)致疫情的大規(guī)模暴發(fā)，是當(dāng)今世界危害范圍最廣的環(huán)境問題之一[10]. 近幾十年來，由介水傳播病毒引起的傳染病在全球各地頻繁暴發(fā)，嚴(yán)重威脅了人類的生存與健康. 如1955年印度由水源污染引起戊型肝炎大暴發(fā)、2003年由SARS病毒引起的非典型性肺炎在32個(gè)國家和地區(qū)暴發(fā)流行、2014年美國暴發(fā)了20年來最大的一次諾如病毒疫情，均造成了十分嚴(yán)重的后果. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年以來，由腸道病毒引起的手足口病發(fā)病人數(shù)一直位列我國法定報(bào)告?zhèn)魅静〉氖孜籟11].

注： A—感染者的糞便、尿液或嘔吐物； B—市政排水管網(wǎng)； C—污水直排口； D—污水處理廠； E—尾水排放口； F—污泥處置； G—受納水體； H—污水管道泄漏； I—自來水廠； J—城市飲用水消費(fèi)者暴露于病毒； K—景觀用水.

病毒通常由蛋白質(zhì)外殼和核酸構(gòu)成，必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生，才能以復(fù)制方式增殖[12]. 然而，國內(nèi)外許多研究表明，病毒核酸在宿主生物之外的各類水體中均有檢出，如廢水、再生水、湖水、河水、海水等[13-16]. 致病性病毒在環(huán)境水體中的廣泛存在揭示了植物、動(dòng)物和人類接觸及其介水傳播感染的可能性. 病毒進(jìn)入水體后不能繁殖，因此病毒在水體中的傳播潛力在很大程度上取決于其在水環(huán)境中的存活能力(病毒保持感染性的時(shí)間)，主要受各類物理(溫度、光照)、化學(xué)(pH、鹽度、懸浮顆粒物)和生物(病毒自身結(jié)構(gòu)、水體中存在的微生物)因素的共同影響[17-18]. 了解各類環(huán)境因素對水體中病毒的生存與傳播的影響對于介水傳染病的預(yù)防和控制具有重要意義. 該研究主要探討了人類和動(dòng)物致病病毒在水環(huán)境中的存活情況及其傳播的可能性，以及各類物理、化學(xué)和生物因素對病毒生存與傳播的影響，以期為環(huán)境水體中病毒等微生物的控制及其生態(tài)環(huán)境與人體健康風(fēng)險(xiǎn)評估提供理論基礎(chǔ).

1 水體溫度和光照的影響

溫度是控制病毒存活最重要的因素[19]. 在大多數(shù)環(huán)境中，病毒的存活可以通過溫度來預(yù)測. 據(jù)報(bào)道，溫度越低，病毒存活時(shí)間越長；溫度越高，病毒在水體中的死亡率越高，尤其當(dāng)溫度超過20 ℃時(shí)，病毒存活率隨溫度的升高而大幅降低，其主要原因在于高溫能夠破壞病毒殼體蛋白和核酸或加強(qiáng)胞外蛋白酶、核酸酶的活性，從而導(dǎo)致病毒失活[20]. Raphael等[21]研究表明，在4 ℃處理的自來水中，即使在64 d后，輪狀病毒滴度也未顯著下降，而在20 ℃處理的自來水中，同一時(shí)期病毒滴度下降了約2 lg(CFUmL). Biziagos等[22]研究表明，脊髓灰質(zhì)炎病毒在室溫保存下的人為污染礦泉水中存活不到300 d，而在4 ℃保存下的相同水體中能夠保持活性長達(dá)1 a. 因此，低溫能夠大幅延長病毒的存活時(shí)間. Wetz等[23]研究表明，在22 ℃下的過濾海水中，90%的脊髓灰質(zhì)炎病毒可以存活至少9 d，而在30 ℃下病毒只能存活3～4 d. Ibrahim等[24]研究了人腺病毒和小鼠諾如病毒在-20 ℃、4 ℃、室溫(約24 ℃)和37 ℃的河水中的存活能力，結(jié)果表明，低溫(4 ℃和-20 ℃)有利于試驗(yàn)病毒的存活，而病毒在37 ℃和室溫下的衰減率較高. Jarungsriapisit等[25]研究表明，沙門氏菌在海水中的存活率隨溫度升高而降低. 此外，不同病毒對溫度的敏感性不同，不同病毒在不同溫度各類水體中的存活也存在差異(見表1)，這與病毒本身結(jié)構(gòu)和特性以及水質(zhì)差異性有關(guān).

表1 一些病毒在不同溫度水相環(huán)境中的存活情況

圖2 包膜病毒基因組、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)對紫外線照射的反應(yīng)[32]

在水環(huán)境中，病毒的存活不僅取決于溫度，還取決于光照. Fujioka等[31]報(bào)道，海水中的幾種腸道病毒在陽光下比在黑暗中滅活得快. 紫外線能夠通過破壞病毒核酸以阻止它們的復(fù)制，從而滅活病毒(見圖2)，滅活效果取決于紫外線輻照劑量. Lénès等[33]研究表明，紫外線照射能夠有效去除和滅活H5N1流感病毒，當(dāng)輻照劑量為25 mJcm2時(shí)，流感病毒的滅活率至少為5 lg(TCID50mL). 與溫度相似，不同病毒對紫外線的敏感性不同，這同病毒本身結(jié)構(gòu)和特性有關(guān). 與雙鏈病毒相比，單鏈病毒更容易被紫外線滅活，原因在于在紫外線照射下只有一條核酸鏈發(fā)生斷裂，而未斷裂的核酸鏈可以繼續(xù)參與復(fù)制[34]. Thurston-Enriquez等[35]研究表明，在水體中致使99%腺病毒失活(雙鏈DNA病毒)所需的紫外線輻照劑量為109 mJcm2，而對于單鏈RNA貓杯狀病毒，達(dá)到相同的失活率只需16 mJcm2的輻照劑量. Lee等[36]對比了天然地表水中四類大腸桿菌噬菌體對紫外線輻射的敏感性，結(jié)果表明，PhiX174噬菌體和Lambda噬菌體對紫外線輻射最具抗性，T4噬菌體對紫外線輻射最為敏感〔紫外線輻照劑量為10 mJcm2時(shí)，病毒的滅活率大于6 lg(PFUmL)〕. Fenaux等[37]研究表明，戊型肝炎病毒對紫外線的抗性與其他腸道病毒(如甲型肝炎病毒)相似，但低于MS2噬菌體. ZHANG等[38]研究顯示，傳統(tǒng)的水處理過程(吸附過濾、化學(xué)消毒和紫外線輻射)無法有效去除病毒，且容易產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，水體光催化消毒以其強(qiáng)大的氧化能力和良好的太陽能利用潛力，能夠有效地滅活致病病毒.

2 水體中微生物的影響

水體中的微生物能夠產(chǎn)生對病毒顆粒不利的代謝物，或者利用病毒衣殼作為營養(yǎng)來源[39]，直接或間接作用于病毒導(dǎo)致其失活. Brown等[40]研究發(fā)現(xiàn)，廢水處理系統(tǒng)中病毒與關(guān)鍵菌群會發(fā)生相互作用，從而影響出水水質(zhì). Eregno等[41]研究了不同深度海水樣本中致病病毒的衰減率，結(jié)果表明，生物活性可能是影響沿海水域自凈能力的重要因素之一. 腺病毒在表層海水中的衰減率高于在深層海水中的衰減率，這可能是由于表層海水具有較高的生物活性和微生物多樣性，促進(jìn)了病毒與其他微生物之間的相互競爭和相互作用. 微生物對病毒的失活作用與溫度有關(guān). 混合廢物的溫度越低，病毒的存活時(shí)間就越長. 此外，溫度會強(qiáng)烈影響微生物的活性，從而影響病毒的持久性. Gordon等[42]研究顯示，滅菌條件下病毒存活時(shí)間更長，推測影響地下水中病毒存活的最重要因素為微生物的活性，而溫度和氧化還原條件則通過影響微生物的活性而間接影響了病毒的存活能力. 相反，水體中存在的微生物也有可能改變溫度對病毒失活的影響趨勢. 如微生物不存在時(shí)，溫度對脊髓灰質(zhì)炎病毒的存活沒有顯著影響，而當(dāng)微生物存在時(shí)，病毒在28 ℃下的失活率顯著高于15 ℃下的失活率[42]. Raphael等[21]研究也顯示，輪狀病毒在滅菌淡水中可持續(xù)存活64 d，且不受溫度的影響，而在不滅菌淡水中，T99分別為10 d(20 ℃)和32 d(4 ℃). 目前已從環(huán)境中分離出具有抗病毒能力的細(xì)菌，如Sekar等[43]從海水、紅樹林水體、沉積物等不同來源中分離出各種細(xì)菌，并成功篩選出能夠抑菌白斑綜合征病毒的三類菌株，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抗病毒活性.

3 水體中懸浮顆粒物的影響

此外，懸浮顆粒物對病毒在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移也存在顯著影響. Syngouna等[50]研究表明，不同物理化學(xué)條件(如粘土的化學(xué)性質(zhì)、表面電荷、病毒的大小和類型)下，膠體顆?？梢源龠M(jìn)或阻礙病毒的傳輸. 水流方向?qū)Σ《镜奈胶蜏粲酗@著影響，病毒在下降流中比在上升流中更容易附著，附著在黏土上的病毒能夠隨著水流向下穿透地下地層，從而在含水層中長距離傳播，造成潛在的地下水污染問題. QIN等[51]研究了二氧化硅納米顆粒(nSiO2)在病毒運(yùn)移過程中的作用，結(jié)果表明，在飽和多孔介質(zhì)中nSiO2阻礙了病毒的傳輸，病毒滯留較多. 主要原因在于病毒與nSiO2形成團(tuán)聚體堵塞孔隙. 在非飽和多孔介質(zhì)中，nSiO2促進(jìn)了病毒的傳播. 由于毛細(xì)力強(qiáng)于病毒與nSiO2間的相互作用，抑制了顆粒的團(tuán)聚. 懸浮nSiO2與病毒爭奪吸附位點(diǎn)，這種競爭通過靜電排斥抑制了病毒的滯留，并同時(shí)促進(jìn)病毒在非飽和條件下的運(yùn)輸(見圖3).

圖3 飽和與非飽和多孔介質(zhì)中nSiO2對病毒傳輸與滯留的影響[51]

4 水體pH、鹽度的影響

大多數(shù)天然水的pH為5～9，在此范圍內(nèi)pH對病毒在水環(huán)境中存活的影響較小，而溫度和懸浮顆粒物的影響更為重要. 已有研究[30]發(fā)現(xiàn)，室溫下2019-nCoV在pH為3～10的范圍內(nèi)非常穩(wěn)定(見表2). 病毒顆粒的表面電荷隨pH的變化而變化，改變pH能夠改變病毒顆粒之間及其與環(huán)境表面的靜電相互作用，從而影響病毒在水環(huán)境中的持久性[18,39]. 不同病毒在水中的等電點(diǎn)不同[52](大多數(shù)病毒的等電點(diǎn)在3.5～7 之間)，因此不同病毒對pH的敏感性存在差異. 腸道病毒在大多數(shù)天然水體的pH范圍內(nèi)是非常穩(wěn)定的，它們通常在pH=7附近最為穩(wěn)定，在酸性(pH為3～5)條件下比在堿性(pH為9～12)條件下更為穩(wěn)定[39]. Pancorbo等[53]研究表明：輪狀病毒感染率的降低與水體pH顯著相關(guān)；隨著pH的增加，病毒傳染性下降得更快. 與未受污染的湖水相比，受污染的小溪水中雖然含有更多的懸浮顆粒(有利于病毒存活)，但輪狀病毒的傳染性在小溪水(pH=7.8)中比在湖水(pH=6.0)中下降得更快[53]. 這主要由于水體pH影響了病毒的團(tuán)聚，從而影響輪狀病毒對水中抗病毒因子的敏感性. Cannon等[54]研究表明，小鼠諾如病毒在整個(gè)pH為2～10的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定〔pH=2時(shí)失活率<1 lg(PFUmL)〕，而貓杯狀病毒在pH為3～9的范圍內(nèi)迅速失活.

表2 室溫下2019-nCoV在pH為3～10范圍內(nèi)的存活情況[30]

圖4 無機(jī)離子對人腺病毒團(tuán)聚和吸附行為的影響[55]

無機(jī)離子可以影響病毒的團(tuán)聚和吸附性能，從而改變其活性. 理論上，在較高離子強(qiáng)度下，病毒顆粒的團(tuán)聚和吸附性能較好(壓縮雙電層、陽離子架橋等作用). 已有研究[39]表明，腸道病毒容易在鹽離子含量較低的水中失穩(wěn)，隨后失活. 相反，鹽濃度的增加(如NaCl)可能對許多其他病毒具有抗病毒作用. Wong等[55]研究表明，二價(jià)陽離子中和或屏蔽病毒表面電荷的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一價(jià)陽離子. 因此，在中性pH下，二價(jià)陽離子的存在促進(jìn)了人腺病毒的團(tuán)聚和對沙土的吸附(見圖4)，從而增強(qiáng)了病毒在環(huán)境中的生存能力和對消毒劑的抵抗力[56]. 鹽度對病毒存活能力的影響在不同病毒之間存在顯著差異. Brown等[57]研究表明，水體pH和鹽度會影響禽流感病毒在自然水生環(huán)境中的存活能力. 病毒在弱堿性(pH為7.4～8.2)、淡水至微咸(0～20 000 ppm)水體中最為穩(wěn)定，在酸性(pH<6.6)和高鹽度(>25 000 ppm)水體中的存活時(shí)間較短. Tran等[58]研究表明，較高的水鹽度會降低病毒的存活率，在較低的溫度下，鹽度的影響更為顯著. 某些重金屬(如銅和銀)被認(rèn)為具有抗病毒特性，然而它們在水中的濃度通常過低，不會對自然水體中的病毒產(chǎn)生影響[59].

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

致病病毒在水環(huán)境中的存活和傳播潛力與紫外線強(qiáng)度、水體溫度、pH、鹽度、以及水體中存在的微生物和懸浮顆粒物等環(huán)境條件密切相關(guān).

a) 低溫能夠大幅延長病毒的存活時(shí)間，更有利于病毒在水環(huán)境中的傳播，增加介水傳染病感染的風(fēng)險(xiǎn). 高溫能夠加速病毒失活從而削弱病毒的傳播潛力.

b) 紫外線照射通過破壞病毒核酸能夠有效去除和滅活病毒.

c) 水體中的微生物能夠產(chǎn)生對病毒顆粒不利的代謝物，或者利用病毒衣殼作為營養(yǎng)來源，從而導(dǎo)致病毒失活. 微生物對病毒的失活作用與溫度有關(guān)，溫度通過影響微生物的活性而間接影響病毒的存活能力. 相反，水體中存在的微生物也有可能改變溫度對病毒失活的影響趨勢.

d) 各類水體中存在的大量懸浮顆粒物對病毒的吸附，大大延長了病毒的存活時(shí)間，從而增強(qiáng)了病毒在水體中的潛在傳播能力；此外，懸浮顆粒物能夠促進(jìn)或阻礙病毒在多孔介質(zhì)中的傳輸與滯留.

e) pH通過改變病毒顆粒的表面電荷，影響病毒的團(tuán)聚，從而影響病毒在水環(huán)境中的持久性.

f) 無機(jī)離子通過影響病毒的團(tuán)聚和吸附性能，從而改變其活性. 通常，在較高離子強(qiáng)度下，病毒顆粒的團(tuán)聚和吸附性能較好，在水環(huán)境中的穩(wěn)定性更強(qiáng). 此外，較高的水鹽度也可能會降低病毒的存活率.

綜上，環(huán)境介質(zhì)因素對病毒存活的影響可能因不同的病毒特性而異，如基因組的性質(zhì)(雙鏈或單鏈基因組)、病毒外殼蛋白的結(jié)構(gòu)和病毒粒子表面電荷的差異，因而相關(guān)機(jī)理尚需進(jìn)一步研究.

5.2 展望

隨著COVID-19疫情的發(fā)展，2019-nCoV在糞便和污水中的檢出引發(fā)了排污水行業(yè)極大的關(guān)注與討論. 2019-nCoV可能通過被感染者的糞便、尿液或嘔吐物排出，在市政污水處理系統(tǒng)以及城市生活垃圾收集和處理系統(tǒng)中存在著潛在的傳播風(fēng)險(xiǎn). 因此，未來的科學(xué)研究應(yīng)在環(huán)境因素影響研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討水環(huán)境中2019-nCoV存活能力的變異性，2019-nCoV 在廢水和飲用水處理過程中的賦存與歸趨，并對廢水、娛樂水域和飲用水中的2019-nCoV進(jìn)行長期監(jiān)測和定量風(fēng)險(xiǎn)評估.