李 瑞， 徐從超,2， 姜 玉,3， 郝 艷， 楊予寧， 李鳴曉， 姜永海， 許秋瑾， 席北斗,2,3*

1.中國環(huán)境科學研究院， 國家環(huán)境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室， 北京 100012

2.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院， 北京 100083

3.上海大學環(huán)境與化學工程學院， 上海 201900

4.中國環(huán)境科學研究院， 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012

2020年初，我國新型冠狀病毒肺炎疫情形勢嚴峻，黨中央高度重視，人民群眾密切關注. 習近平總書記提出要把人民群眾的安全和身體健康放在第一位，要把新型冠狀病毒肺炎疫情防控工作作為當前最重要的工作來抓；做好新型冠狀病毒肺炎疫情防控工作，直接關系人民生命安全和身體健康，也關乎經(jīng)濟社會大局穩(wěn)定. 為響應黨中央號召，2020年1月生態(tài)環(huán)境部相繼印發(fā)《新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療廢物應急處置管理與技術指南(試行)》《應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應急監(jiān)測方案》等文件，積極部署疫情防控相關環(huán)境保護措施. 這次重大公共衛(wèi)生安全事件表明，病毒可能會成為人類發(fā)展未來的“頭號公敵”.

地下水是我國重要的飲用水源，338個地級及以上城市中，有329個使用地下水作為飲用水源(占比約97%)；此外，我國有近1.7×104眼農(nóng)村分散式飲用水井[1]. 病毒一旦入侵地下水飲用水水源地，其傳播過程與人體健康風險具有隱蔽性、復雜性、不確定性[2]. 因此，生態(tài)環(huán)境部強調切實做好疫情嚴重地區(qū)飲用水水源地環(huán)境質量監(jiān)測. 疫情防控期間，在飲用水水源地常規(guī)監(jiān)測的基礎上，增加余氯和生物毒性等疫情防控特征指標的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況時加密監(jiān)測，并及時采取措施、查明原因、控制風險、消除影響，切實保障人民群眾飲水安全.

環(huán)境病毒學，即研究病毒在水、土、氣、食物和人體等介質中的傳播行為，近年來逐漸成為熱點[3]. 病毒在地表水、土壤、地下水、空氣中的傳播過程受地質條件、水文、氣象等因素制約[4]. 有關病毒對地下水的入侵風險，人們的認知仍然有限. 該研究擬總結病毒入侵地下水衛(wèi)生安全事件，綜述病毒在地下介質中的傳播途徑與遷移轉化，分析地下水病毒入侵風險防控面臨的問題與挑戰(zhàn)，并提出相關對策建議，為未來的病毒防控提供一些參考.

1 病毒對地下水的入侵事件

地下水中最為常見的病毒為動物病毒，如腺病毒、大腸桿菌噬菌體、科薩奇病毒、腸道病毒、脊髓灰質炎病毒和輪狀病毒等，且每種病毒有多種類型[5]. 對人體危害較大，能夠引起多種疾病，包括腸胃炎、癱瘓、皮疹，心肌炎和呼吸道疾病等[6]. 飲用水病毒導致感染所需劑量非常低，暴露于1個輪狀病毒顆粒感染的概率為31%，腸道病毒通常僅需1～102個病毒顆粒即可引起感染[7]. 1971以來，美國所暴發(fā)的疾病中，超過50%的飲用水源受污染所致；2011—2012年發(fā)生32次水源性疾病，其中由于病毒入侵地下水導致的病例占32%[8]. 根據(jù)歐盟環(huán)境與健康信息系統(tǒng)14個國家的數(shù)據(jù)，2000—2007年共出現(xiàn)148起由腸道病毒引起的水源性疾病，占總水源性疾病的42%[9].

2014年11月26日杭州市西湖區(qū)某中學由于飲用受糞便污染的地下水，諾如病毒感染導致胃腸炎82例[10]. 2015年2月19—28日，浙江省臨海市沿岙村由于公共水井被糞便污染，引起輪狀病毒感染性腹瀉疫情165例，臨床表現(xiàn)為腹瀉、嘔吐[11]. 2017年9月25日—10月1日，廣西壯族自治區(qū)黃桃古鎮(zhèn)景區(qū)由于糞便污染地下水井，引起諾如病毒胃腸炎疫情[12]. 2019年12月8日發(fā)生的新型冠狀病毒肺炎疫情嚴重威脅全球人類生命健康，截至2020年4月9日全球共有152×104人感染，經(jīng)臨床證實，感染者糞便中新型冠狀病毒核酸呈陽性，存在通過糞便傳播的風險[13]. 筆者統(tǒng)計了不同時間、國家和地區(qū)病毒入侵地下水水源污染事件，由表1可見，世界各地均出現(xiàn)不同程度的地下水病毒污染事件，影響人數(shù)眾多，污染來源與途徑較為復雜. 目前人類對病毒的認知仍然有限，如新型冠狀病毒的高致病風險病毒是否會進入地下水尚未可知.

表1 部分地區(qū)地下水病毒入侵事件統(tǒng)計

2 地下水中病毒的遷移特征及防控現(xiàn)狀

2.1 地下水中病毒的遷移特征

病毒和其他病原體可通過多種途徑，包括垃圾填埋場滲濾液滲漏、排水管網(wǎng)滲漏、化糞池滲漏、再生水回灌等，穿透土壤與非飽和帶，在含水層中遷移數(shù)百米[22]. 2019年1月16日，莫斯科國立大學的研究團隊在托木斯克地區(qū)2 km深處發(fā)現(xiàn)了三株噬菌體病毒的DNA[23]，證明病毒在地下水中的傳播距離較遠. 病毒在地下介質中的遷移主要包括吸附和失活兩個過程，與病毒表面帶電性、微生物拮抗、土壤理化性質、地下水化學組分、水文地質條件、溫度等因素密切相關[24]. 病毒粒徑較小(0.02～0.3 μm)，幾乎可以通過所有類型的地下孔隙介質. 不同病毒在地下水中的存活能力各異，某些病毒存活時間在28～188 d之間不等[25].

病毒在地下介質中會發(fā)生一系列物理、化學及生物反應，其中物理和化學過程對病毒遷移的影響較大. 物理作用主要包括機械過濾及稀釋，該過程主要產(chǎn)生凈化效應. 病毒的粒徑(0.02～0.3 μm)較小，在多孔介質中不易被過濾和凈化，隨著水流進入含水層系統(tǒng)幾率較高. 水文地質條件及地下水補徑排關系會直接影響病毒的遷移，Gotkowitz等[26]通過地下水病毒運移模擬研究，發(fā)現(xiàn)溫度、地下水流速與病毒的吸附遷移呈負相關. 化學作用主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化還原、化學降解、光解等，其中吸附是病毒遷移的主要影響作用. 生物作用會導致病毒衰減. 李碩[27]通過室內(nèi)模擬試驗研究了腸道病毒在包氣帶遷移的水化學影響因素(見圖1)，發(fā)現(xiàn)病毒遷移過程受pH和膠體吸附等化學作用影響較大. Taylor等[28]利用大腸桿菌噬菌體和惰性溶質進行了示蹤試驗，惰性溶質大部分未被捕獲，而抽水井中噬菌體被快速檢出，表明病毒在地下水的流速已超過惰性溶質. 縱觀病毒在地下水中的遷移轉化研究，目前主要集中在定性研究，定量研究仍然有限.

注： AWI為氣-水界面; AWS為氣-水-固界面; SWI為固-氣界面.

該研究在Web of Science數(shù)據(jù)庫中以地下水和病毒為關鍵詞檢索，統(tǒng)計了2001—2020年地下水病毒領域主要國家發(fā)表的文獻數(shù)量及主要研究方向. 由圖2可見：目前關于地下水病毒研究數(shù)量，美國最多，中國相對較少；地下水病毒領域的文獻發(fā)表數(shù)量逐年增加；地下水病毒相關研究主要集中在環(huán)境科學生態(tài)學、微生物學、公共環(huán)境衛(wèi)生等，未來研究趨勢可能向遺傳、水資源、分子生物學、毒理學等傾斜.

2.2 國內(nèi)外地下水病毒入侵防控現(xiàn)狀

目前，地下水飲用水水源地病毒入侵防控措施主要包括污水消毒、制度法規(guī)管理、調查評估與監(jiān)測[29]. 地下水病毒的檢測方法有多種，傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)法通過感染陽性、陰性試驗確定病毒活性；核酸擴增法如聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction, PCR)、逆轉錄PCR (reverse transcription-PCR, RT-PCR)、實時熒光定量PCR (quantitative real-time PCR, qPCR)等[30]，改進了水環(huán)境中病毒檢測靈敏度，但不能區(qū)分致病性和人體健康風險；細胞培養(yǎng)聯(lián)合PCR法能夠檢測病毒的致病性，但操作流程相對復雜[31]. 病原體病毒是偶發(fā)性的且難以檢測，因此糞便中的細菌指標通常用于判斷地下水病毒污染程度. Fout等[32]研究發(fā)現(xiàn)，總大腸菌、大腸桿菌和體細胞噬菌體之間呈顯著相關，確定了糞大腸桿菌作為地下水病毒污染監(jiān)測指標的有效性.

美國建立了水源性疾病和疫情監(jiān)測系統(tǒng)(WBDOSS)，通過收集全國水源性病毒污染數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析相關事件，為制定水質監(jiān)測指標提供支撐[33]. 同時將腺病毒、杯狀病毒、腸道病毒和甲型肝炎病毒納入水質評價體系[34]. 英國在非洲埃博拉疫情暴發(fā)地區(qū)塞拉利昂研究了病毒對地下水水源的入侵情況，采取水源地衛(wèi)生防護措施，確定了廁所、墓地等污染源橫縱向安全距離，定期調查評估水源地周邊病毒污染風險[35]. 韓國通過敏感性較高的巢式逆轉錄聚合酶鏈反應技術(RT-PCR)分析了全國300多個采樣點的諾如病毒含量，研究病毒含量與大腸桿菌指標之間的相關性，修訂完善水質監(jiān)測標準[36].

圖2 2001—2020年地下水病毒領域相關文獻檢索

我國印發(fā)的《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》要求禁止向水域傾倒糞便及其他廢棄物，運輸有毒有害物質、糞便的船舶和車輛一般不準進入保護區(qū)，并在保護區(qū)內(nèi)設置防滲、防溢、防漏設施. 2006年修訂的GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》，增加了與病毒微生物污染相關的大腸埃希氏菌、耐熱大腸菌群、賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲等水質指標，但是有關病毒的指標仍然缺失[37]. GBT 14848—2017《地下水質量標準》限定了地下水飲用水源地微生物指標：總大腸桿菌群應小于0.03 CFUmL (CFU表示菌落形成單位)， 菌落總數(shù)應小于100 CFUmL[38]. 但目前我國仍然缺失地下水飲用水病毒直接評價指標，農(nóng)村中小型地下水水源及供水系統(tǒng)基礎設施不完善、缺乏消毒評價標準.

3 地下水病毒入侵風險防控面臨的問題與挑戰(zhàn)

3.1 風險防范意識有待加強

地下水與地表水、土壤交互關系密切. 病毒入侵地下水并危害人體健康在國內(nèi)外均有實例，且該過程隱蔽、復雜、難防控. 在積極采取防疫類固廢、醫(yī)療廢水、生活污水與垃圾、地表水、空氣等相關環(huán)境保護措施的同時，病毒對地下的入侵風險防范意識亟需加強. 針對農(nóng)村分散式地下水飲用水源，更要重視病毒風險防控及飲用水安全，防范病毒向農(nóng)村蔓延. 病毒在土壤及地下水中的環(huán)境行為具有高度隱蔽性、復雜性、不確定性，人們對該過程的健康風險防范意識仍有待加強.

3.2 地下水病毒科學研究存在短板

病毒在地下水遷移轉化是一個復雜的過程，受含水層介質、地下水環(huán)境、地下水流、病毒自身變異性等多因素影響，存在較大的不確定性. 關于地下水中病毒的調查分析、吸附及衰減過程、運移規(guī)律和趨勢預測、健康風險評估等問題，目前的認知仍然十分有限. 病毒進入地下遷移并威脅人體健康是一個相對滯后、漫長的過程，主動調查研究、防微杜漸刻不容緩. 病毒在地下水、土壤、地表水等環(huán)境介質中的行為機制仍不明確；地下水病毒的檢測分析方法、病毒的運移規(guī)律及過程模擬方法、病毒的反應及衰減機制等相關研究有待加強；亟需研究制定地下水病毒調查監(jiān)測及人體健康危害風險評價相關標準.

3.3 應急防控與預警能力仍然不足

地下水飲用水水源地病毒的應急監(jiān)測及預警預報技術水平有限，突發(fā)性病毒污染事件的應急響應機制、對策、經(jīng)驗等均存在短板. 針對病毒在土壤及地下水中的應急阻控技術與對策存在缺口、病毒污染地下水應急處理處置關鍵技術儲備不足等問題，亟需制定病毒污染地下水應急防控預案及相關技術指南.

4 地下水病毒入侵防控對策建議

圖3 地下水病毒入侵防控對策

該研究提出了三方面地下水病毒入侵防控對策建議，具體思路見圖3.

a) 源頭排查風險，防患于未然. 在已知病毒可入侵地下水但傳播機制不清的前提下，應加強病毒入侵地下水飲用水水源地風險防范意識. 在地下水飲用水水源地保護區(qū)及補給區(qū)，嚴格管控防疫類固廢、醫(yī)療廢水、疫區(qū)居民生活污水及化糞池，綜合應用物探、人工智能等技術，排查檢測市政排水管網(wǎng)及污水排放口、化糞池、垃圾填埋滲漏情況，從源頭上防范病毒進入地下水. 農(nóng)村地下水飲用水、生活用水、食品蔬菜需經(jīng)過化學或高溫消毒后使用.

b) 加強地下水飲用水水源地病毒調查研究. 研究病毒在土壤及地下水中的存活能力、遷移轉化機制、環(huán)境行為特征、模擬預測技術、健康風險評價方法. 制定地下水飲用水水源地病毒調查監(jiān)測技術規(guī)范、指南，重點監(jiān)測地下水中糞大腸桿菌等生物指標，應用逆轉錄聚合酶鏈反應法(Reverse Transcription-PCR Method)分析地下水中人類腸道病毒(包括新型冠狀病毒)，指導疫情嚴重地區(qū)科學調查、防范風險.

c) 籌劃應急防控對策. 建議加強城市居民生活用水及農(nóng)村分散式地下水飲用水消毒管控措施，以地下水作為主要飲用水源的地區(qū)應預先研究備用水源應急啟動方案，提前做好地下水應急監(jiān)測預警、飲用水消毒處理、環(huán)境質量信息公開等相關準備工作，制定地下水飲用水水源地病毒應急防控預案.

5 結論

a) 2001—2020年世界各地均出現(xiàn)不同程度的地下水病毒污染事件，影響人數(shù)眾多，污染來源與途徑較為復雜. 2020年新型冠狀病毒肺炎疫情影響重大，病毒有入侵地下水的風險. 病毒在土壤及地下水中的環(huán)境行為具有高度隱蔽性、復雜性、不確定性，人們對這一過程的健康風險防范意識仍有待加強. 針對病毒入侵，需要嚴格管控防疫類固廢、醫(yī)療廢水、疫區(qū)居民生活污水及化糞池，綜合應用物探、人工智能等技術，新型冠狀病毒肺炎疫情期間應加強排查檢測市政排水管網(wǎng)及水源地避免受污水排放口、化糞池、垃圾填埋滲漏等情況影響.

b) 病毒在地下水遷移轉化是一個復雜的過程，受含水層介質、地下水環(huán)境、地下水流、病毒自身變異性等多因素影響，存在較大的不確定性，相關科學研究有待進一步加強. 如研究病毒在土壤及地下水中的存活能力、遷移轉化機制、環(huán)境行為特征、模擬預測技術、健康風險評價方法等.

c) 我國在水質標準方面仍然缺少直接的病毒評價指標，對于地下水病毒入侵的應急防控仍然存在短板，病毒污染地下水應急處理處置關鍵技術儲備不足，亟需編制病毒污染地下水應急防控預案及相關技術指南，并針對地下水飲用水水源地病毒制定應急防控預案.