冠狀病毒在水和廢水中傳播特征、可能遏制策略與研究挑戰(zhàn)

全康環(huán)保:成果簡介

近日，西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院趙亞乾教授團(tuán)隊(duì)與西班牙、法國等大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表了題為 “Where dowe stand to oversee the coronaviruses in aqueous and aerosol environment? Characteristics of transmission and possible curb strategies”的綜述論文，通過總結(jié)已發(fā)表文獻(xiàn)（含預(yù)印本）、新聞通訊和科學(xué)網(wǎng)站等關(guān)于SARS-CoV-2可能的環(huán)境傳播研究，旨在全面介紹冠狀病毒在水、污泥和氣溶膠環(huán)境中的傳播特性，尤其是在水和廢水環(huán)境中的傳播特征，進(jìn)而揭示可能的遏制策略。

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新型嚴(yán)重急性呼吸綜合癥冠狀病毒(SARS-CoV-2)具有強(qiáng)傳播性，已累計(jì)超過7000萬人感染，在222個(gè)國家和地區(qū)造成170萬以上患者死亡。盡管SARS-CoV-2的主要傳播途徑是通過呼吸道飛沫和直接接觸，但水和廢水、氣溶膠也是重要的潛在傳播途徑。盡管尚無直接證據(jù)佐證在COVID-19爆發(fā)期間存在糞-口傳播和空氣傳播，但SARS-CoV-2在水和氣溶膠中的檢出和可感染性證明了病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。在城市和農(nóng)村的水循環(huán)、封閉及半封閉場所都存在病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。改進(jìn)和消除這些隱患可進(jìn)一步遏制病毒的傳播及其引發(fā)的持續(xù)大流行。本文總結(jié)了有關(guān)SARS-CoV-2可能的環(huán)境傳播方式方面的最新研究，詳細(xì)討論了其在水和廢水、氣溶膠中傳播的可能性、生存特性以及SARS-CoV-2的滅活方式。同時(shí)，本文探討了在類似大流行疫情中水和廢水處理的挑戰(zhàn)和潛在的研究方向和研究進(jìn)展。

引言

在過去的二十年中，冠狀病毒已引起三次大規(guī)模疫情。水、空氣、土壤是可能冠狀病毒傳播的重要媒介。在原污水及二級(jí)處理后的出水中，甚至用于城市灌溉的非飲用水中都檢出SARS-CoV-2的RNA。新冠病毒感染者的糞便和尿液中也檢測到了具有傳染性的冠狀病毒。另一方面，越來越多的證據(jù)表明SARS-CoV-2可以在氣溶膠中存活。因此，除了呼吸道飛沫和直接接觸之外，環(huán)境中冠狀病毒的存在引起人們對(duì)其它可能的傳播途徑高度關(guān)注。圖1 是本文論述框架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 本文論述框架

圖文導(dǎo)讀

新冠病毒感染者可能含有SARS-CoV-2的糞便、尿液、唾液和各種呼吸道分泌物，都有可能將以各種途徑進(jìn)入環(huán)境中，尤其是城市水環(huán)境中。圖2 歸納了世界各地水環(huán)境中對(duì)SARS-CoV-2 RNA的檢出報(bào)道。

圖2 世界各地水和廢水中檢出SARS-CoV-2報(bào)道

含冠狀病毒的廢物/廢水可由多種途徑進(jìn)入水環(huán)境，進(jìn)而危害公共健康（圖3）?？赡艿耐緩接校?）廢水的收集和處理不充分；2）未經(jīng)處理的污水直排進(jìn)入水體；3）使用被污染了的水源。同樣，破損的污水管網(wǎng)也是潛在的污染途徑。與城市的集中式水處理系統(tǒng)不同，欠發(fā)達(dá)地區(qū)的大部分農(nóng)村的供排水模式為分散式供排水，且未經(jīng)處理。農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)是潛在病毒的主要來源，已有貓、狗和貂等動(dòng)物被冠狀病毒感染的報(bào)道。

圖3 水和廢水中冠狀病毒在城市（a）和農(nóng)村（b）的傳播途徑

水環(huán)境中冠狀病毒的生存特性與廢水特性（水溫、pH、有機(jī)物、懸浮物等）密切相關(guān)。目前，關(guān)于冠狀病毒在水和廢水中的生存特性研究較為有限。SARS-CoV-2可以在室溫下于pH 3-10保持穩(wěn)定。同時(shí)，SARS-CoV-2在室溫（20 °C）下的廢水和自來水可存活數(shù)天（1.6天以上），而在50 °C和70 °C的水環(huán)境下，其將在數(shù)分鐘失活。因此高溫可使冠狀病毒迅速失活。冠狀病毒在低溫存活能力強(qiáng)，在冬季需要特別注意，以防止“第二波”疫情爆發(fā)。

常規(guī)廢水處理工藝（活性污泥工藝）可有效去除SARS-CoV-2。利用活性污泥法去除病毒的機(jī)制主要為污泥的吸附和沉淀池的沉淀分離。而病毒失活主要依靠消毒工藝和化學(xué)氧化劑。紫外線可破壞病毒基因組和蛋白，化學(xué)氧化劑可破壞包膜結(jié)構(gòu)，建議采用紫外線和化學(xué)氧化消毒聯(lián)合的方法以更高效地滅活冠狀病毒。

飲用水處理過程中，絮凝、沉淀和過濾均可在一定程度上去除病毒。氯消毒是一種常見的飲用水消毒方法。WHO建議在pH <8.0的條件下接觸至少30分鐘后，使游離氯≥0.5 mg L-1。雖然強(qiáng)氧化劑（例如臭氧和氯）可以有效地滅活污泥中病毒，但是處理成本較高并可能產(chǎn)生致癌物。而石灰穩(wěn)定法是一種經(jīng)濟(jì)可靠的方法，但污泥量的增加不可小覷，所以在處理醫(yī)院和集中式醫(yī)療中心的廢水過程中產(chǎn)生的污泥必須嚴(yán)格按照危險(xiǎn)廢物規(guī)定進(jìn)行處置。同時(shí)值得注意的是，處理飲用水、廢水和污泥的水務(wù)工人面臨直接暴露的風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)不僅來自可能涉及病毒或病毒RNA的水和/或污泥，還來自于污水中氣溶膠的逸出。

圖4 冠狀病毒在氣溶膠中的傳播途徑概述（a）和可能的預(yù)防和控制策略（b）

已經(jīng)在一些相對(duì)不通風(fēng)區(qū)域的空氣中的氣溶膠中檢測出SARS-CoV-2 RNA陽性，如醫(yī)院洗手間、合唱廳、餐廳、健身房等。病毒在空氣中的存活取決于多種因素，例如環(huán)境溫度、風(fēng)速和方向以及相對(duì)濕度。MERS-CoV可在25°C和79％RH的條件下，霧化60 min后仍保持可感染性，而SARS-CoV-2在氣溶膠中甚至可維持3小時(shí)以上。較高的環(huán)境溫度將有助于遏制SARS-CoV-2傳播，而較低的溫度可能會(huì)增加其傳播。

生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)在病毒追蹤、傳播、健康暴露等方面起著關(guān)鍵作用。迄今為止對(duì)新冠狀病毒如何在水和廢水系統(tǒng)傳播的了解甚少，因此迫切需要進(jìn)一步的研究。多學(xué)科的合作將從科學(xué)的角度加速與病毒的戰(zhàn)斗，以建立科學(xué)的控制和預(yù)防策略。1、更全面地了解環(huán)境介質(zhì)中病毒的特性及環(huán)境行為，有利于制定更加科學(xué)的控制策略，提供從醫(yī)務(wù)和水務(wù)工作者的人身安全出發(fā)的可靠的改進(jìn)方案；2、完善多環(huán)境介質(zhì)中SARS-CoV-2的定性和定量監(jiān)測，即在污水管網(wǎng)中選擇代表性的采樣點(diǎn)，對(duì)受感染者糞便和尿液中的活病毒和RNA濃度進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)一步量化廢水樣本中的病毒載量以估算人群中的感染數(shù)。利用社區(qū)范圍內(nèi)的廢水監(jiān)測體系，對(duì)社區(qū)感染情況進(jìn)行監(jiān)測，以此對(duì)社區(qū)內(nèi)輕微或無癥狀的病患進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)查；利用排水管道和污水處理廠范圍內(nèi)的采樣和監(jiān)控體系對(duì)區(qū)域內(nèi)的冠狀病毒的傳播方位進(jìn)行更好更快的估算。3、開發(fā)從水和廢水中去除SARS-CoV-2的工藝。面對(duì)目前持續(xù)和未來可能再次發(fā)生的大流行疫情，應(yīng)針對(duì)性的開發(fā)專一性模塊化水媒介病原體處理工藝。同時(shí)需要對(duì)在傳統(tǒng)污水處理中如何減少或避免曝氣產(chǎn)生的可能攜帶病毒的生物氣溶膠，作進(jìn)一步的探究；4、亟需開發(fā)具有成本效益的紫外線和化學(xué)消毒冠狀病毒的分散水處理工藝，應(yīng)用于不發(fā)達(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)水處理；5、防范環(huán)境次生風(fēng)險(xiǎn)。大規(guī)模和過度使用的消毒劑、抗病毒和消炎藥產(chǎn)生的藥物殘留和代謝產(chǎn)物最終將排入環(huán)境中。對(duì)于由此產(chǎn)生的潛在的環(huán)境次生風(fēng)險(xiǎn)，需評(píng)估其排放造成的生態(tài)破壞，并在最大程度上減輕它們的影響。

總結(jié)

水和廢水、污泥和氣溶膠均可能是冠狀病毒潛在的傳播途徑。盡管尚無直接證據(jù)證明在COVID-19爆發(fā)期間糞便傳播，但如果不及時(shí)采取相應(yīng)的預(yù)防和控制策略，在城鄉(xiāng)水循環(huán)下病毒傳播的現(xiàn)狀將可能進(jìn)一步惡化。同時(shí)應(yīng)考慮到相關(guān)的其他環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為中低收入國家和偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，需要針對(duì)性的開發(fā)含有冠狀病毒消毒工藝的分散式水和廢水處理設(shè)施。而越來越多的證據(jù)表明，氣溶膠中SARS-CoV-2可能是正在進(jìn)行的COVID-19大流行的主要原因，因此加強(qiáng)建筑通風(fēng)系統(tǒng)和個(gè)人防護(hù)措施對(duì)于最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

對(duì)病毒傳播和生存特征的更全面了解是建立可靠控制策略的基礎(chǔ)，快速而精確的病毒監(jiān)控工具是至關(guān)重要的。廢水監(jiān)測應(yīng)該成為實(shí)時(shí)追蹤社區(qū)，甚至公共建筑中疫情演變的戰(zhàn)略工具和捕捉病毒進(jìn)化的強(qiáng)大盟友。將廢水中的精確傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)策略相結(jié)合，將為在某些社區(qū)出現(xiàn)癥狀之前做出預(yù)測提供有價(jià)值的方案。