华东理工大学资源与环境工程学院崔长征教授团队发表论文《从饮用水水源到二次供水系统的病毒污染、去除特性及定量风险评估》。在城市供水系统中，细菌、病毒、原生动物和产生异味的有毒藻类等病原微生物可通过受污染的饮用水传播，从而引发生物安全问题。近年来，因饮用水卫生问题导致的人类病毒感染事件时有报道，值得更多关注。在世界卫生组织《饮用水水质准则》第四版中，包括腺病毒、肠道病毒和轮状病毒在内的八种病毒可在水系统中存活超过一个月，对氯消毒具有中等抗性，并存在传播和感染的潜在风险。在城市水环境中，病毒主要通过粪口途径传播。对于供水系统而言，病毒污染源自未经处理或处理不当的污水、受污染的雨水径流以及城市固体废物。残留病毒消毒不彻底可能会对居民的直接饮用水龙头造成潜在风险。例如，病毒可通过饮用受污染的水以及接触娱乐用水进入人体。该研究旨在揭示饮用水系统中典型的DNA和RNA病毒（比如腺病毒、诺如病毒和肠道病毒）的污染特征，并通过定量微生物风险评估（QMRA）工具和Monte Carlo模拟对其不确定性及敏感性进行分析，以评估其对人类健康的风险。该研究还选取了四条饮用水系统路线（从饮用水水源到二次供水），以揭示不同传统和先进处理工艺对这些病毒的去除特性。研究目的：（1） 通过吸附洗脱法和荧光探针法揭示不同饮用水系统中腺病毒、诺如病毒和肠道病毒的污染特征及季节变化；（2） 评估不同饮用水处理系统中腺病毒、诺如病毒和肠道病毒的去除规律和机制；（3） 基于QMRA评估，阐明典型病毒对人类健康的风险，并厘清关键模型参数。

文章图片摘要

该研究选取了华东地区不同的典型供水系统，包括饮用水水源（DW）、饮用水处理厂（DWTP）、输水管网（WTN）和二次供水（SWS）。如图1a所示，该研究选取了三个不同的饮用水水源（DW1、DW2和DW3），以研究华东地区不同饮用水系统中典型RNA和DNA病毒的污染特征。选取了四个具有不同处理工艺的饮用水处理厂（DWTP1、DWTP2、DWTP3和DWTP4），以研究饮用水处理厂中典型病毒的去除特征。在供水系统中，分别设置了四个相关下游输水管网（WTN1、WTN2、WTN3和WTN4）和二次供水点（SWS1、SWS2、SWS3和SWS4）的采样点，以研究输水管网和二次供水系统中典型病毒的污染特征和潜在风险。DWTP1和DWTP2均以DW1水源的出水作为原水。DWTP1的供水能力为70万吨/日，采用预臭氧—沉淀—滤池—臭氧+活性炭吸附—氯消毒的典型深度处理工艺。DWTP2的供水能力为160万吨/日，采用预氯化—沉淀—滤池—氯消毒的典型常规处理工艺。DWTP3以DW2水源的出水作为原水，供水能力为100万吨/日，采用预臭氧+预氯化—沉淀—滤池—臭氧+活性炭吸附—氯消毒的深度处理工艺。DWTP4以DW3水源的进水作为原水，供水能力为90万吨/日，采用与DWTP3相同的深度处理工艺。在各水厂的进水（未处理水）和出水（处理水）处分别设置了采样点。水源水样在距水面0.5米以下采集，饮用水处理厂、水塔和二次供水系统的水样则从对应的全天不关闭的专用水龙头采集。2021年12月至2022年2月（冬季）以及2022年6月至8月（夏季）每月采集一次，目标采样点共采集了144个水样。水样采集后立即用无菌采样袋转移至实验室进行病毒检测的预处理。水质指标包括温度（T）、pH值、化学需氧量（COD_Cr和COD_Mn）、氨氮（NH₃N）、总磷（TP）、总氮（TN）、浊度（TUR）、溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）和游离氯，均按照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）进行检测。该研究对不同种类RNA和DNA病毒的吸附和洗脱方法进行了系统优化，如图1b所示。所采用的吸附和洗脱方法使用带正电荷的过滤材料，以更好地吸附天然水中的通常带负电荷的病毒。将100克带正电荷的过滤材料缓慢加入填充柱中，并向填充柱中加入去离子水，使其与过滤材料充分混合。然后，通过蠕动泵将5升至20升的饮用水样本泵入填充柱。过滤完成后，向填充柱中加入300毫升无菌洗脱液（氯化钠15.0克/升，氢氧化钠20克/升，无水碳酸钠0.3克/升，甘氨酸38.5克/升，牛肉粉15.0克/升，蛋白胨30.0克/升）以洗脱吸附在过滤材料上的病毒。向洗脱液中加入13%的聚乙二醇（PEG-6000），并充分混合使其完全溶解。然后，将混合后的洗脱液在4℃静置过夜后，以10000转/分钟的速度离心10分钟。最后，将上清液倒掉，加入4毫升磷酸盐缓冲盐水（PBS）缓冲液重新悬浮沉淀，以获得浓缩的病毒溶液。之后，采用Aeromonas Salmonicides (AsM) 噬菌体作为指示病毒，研究吸附洗脱法的回收效果。之后，用荧光探针PCR法评估AsM噬菌体的浓度。简而言之，使用FastDNA® SPIN Kit for Soil试剂盒提取AsM噬菌体的核酸。然后，通过RT-qPCR（LightCycler 480）检测目标DNA。除此之外，该研究建立了用于检测腺病毒、肠道病毒和诺如病毒的荧光探针qPCR方法。结果表明，腺病毒、肠道病毒和诺如病毒的扩增曲线均为S形，PCR 反应的扩增效率为92.9%—104.6%。吸附和洗脱法对不同种类RNA和DNA病毒（如水样体积、病毒浓度和水基质）的回收率的影响因素进行了系统优化。不同病毒浓度会影响回收率，因此该研究进一步探究了不同病毒浓度下的回收率。结果表明，不同浓度病毒的回收率高达79.78%—89.67%。考虑到水基质如浊度会影响目标病毒的回收率，进一步评估了原水的回收率。结果显示，原水（89.4%±3.6%)）中不同病毒的回收率与处理水（86.1%±4.9%）通过吸附和洗脱法的回收率相似。

图1 四种不同的饮用水处理路线（a）以及饮用水系统中通过吸附和洗脱法及定量法进行病毒富集过程的一般步骤（b）

该研究针对饮用水系统中典型病毒的定量微生物进行了风险评估。通过危害识别确定了饮用水中病毒的主要类型、流行病学特征和人类暴露途径。（1） 危害识别：供水系统中的腺病毒、肠道病毒和诺如病毒可通过饮用水传播，导致人类感染肠胃炎等疾病。鉴于二次供水系统是饮用水的最后一道防线，因此使用二次供水系统的样本进行定量微生物风险评估（QMRA）。暴露途径主要是饮用受污染的水，疾病主要为肠胃炎。（2） 暴露评估：除此之外，基于对饮水系统中典型病毒危害的识别，根据二次供水检测到的病毒浓度以及每人每日的饮水量来计算病毒暴露评估。（3） 剂量反应：对于典型病毒，应用了更加精确的Beta—Poisson剂量反应模型（使用Kummer合流超几何模型，参数为α，β和DoseDW）。所有计量反应模型参数均通过在R3.6.2中实施的10万次 Monte Carlo模型纳入不确定分析，包括病毒浓度、暴露评估和风险特征等模型输入。（4） 风险特征描述：饮用水供应系统中由病毒导致的损失年份以伤残调整生命年（DALYs）来表示。通过个人每日感染率来计算个人年度感染概率，而个人年度感染概率则基于个人感染目标病毒后的患病概率来确定。每例病例的DALY_case是通过结合目标病毒所引发疾病的概率、严重程度和持续时间来确定的。总的DALYs 则由个人年度感染概率、个人对病毒的易感性以及DALY_case来确定。

该研究对饮用水水源（DW）、饮用水处理厂（DWTP）、输水管网（WTN）和二次供水（SWS）中典型的DNA和RNA病毒的污染特征进行了系统研究（图2）。图3展示了不同季节饮用水系统中腺病毒、诺如病毒和肠道病毒的检测特征以及所测参数的主成分分析（PCA）。图4展示了四个饮用水处理厂中目标病毒的去除情况以及下游二次供水系统中的污染情况。图5展示了采用Monte Carlo模拟（100,000 次迭代）对定量微生物风险评估（QMRA）进行了不确定性分析，以进一步揭示饮用水中腺病毒的真实风险。

图2 不同饮用水处理系统中腺病毒、诺如病毒和肠道病毒污染特征的热图。病毒浓度进行了对数转换

图3 饮用水（DW）系统中检测到的腺病毒、诺如病毒和肠道病毒的季节性变化特征（a）以及从饮用水水源到下游二次供水（SWS）的目标病毒的季节性变化特征（b）；不同季节（c）以及目标饮用水处理厂进水和出水的测量参数的主成分分析（PCA）的成分图（d）

图4 不同饮用水处理厂及下游输水管网和二次供水系统中腺病毒、诺如病毒和肠道病毒的去除特性（a）路线1：从饮用水处理厂（DWTP）1到下游二次供水（SWS1）；（b）路线 2：从 DWTP2到下游SWS2；（c）路线3：从 DWTP3 到下游 SWS3；（d）路线4：从 DWTP4 到下游 SWS4。DWTPinf为饮用水处理厂的进水。DWTPeff为饮用水处理厂的出水。WTN为输水管网

图 5 采用100,000次迭代Monte Carlo模拟对二次供水中腺病毒进行定量微生物风险评估的不确定性分析：（a）均匀分布，（b）Beta PERT 分布，（c）三角分布和（d）对数正态分布的与病毒浓度相关的模型输入

研究结果表明，腺病毒、诺如病毒和肠道病毒在饮用水处理系统中频繁被检测到，其检出率分别为71.21%、22.73%和5.30%。腺病毒的最高浓度为1.45×10^-5拷贝/升，分别比诺如病毒和肠道病毒高0.18和0.58个数量级。腺病毒在饮用水系统中具有持久性，从饮用水水源到二次供水系统均有检出，浓度降低0.34至2.77个对数单位。在水传输网络和二次供水中未检测到肠道病毒和诺如病毒。与饮用水水源和二次供水相比，饮用水处理厂在去除目标病毒方面发挥着关键作用。冬季目标病毒的浓度高于夏季，饮用水系统中不同病毒的季节性变化与水温密切相关。通过不同季节的成分图对测量的水质指标进行主成分分析表明，前两个主成分解释了数据总方差的大部分。病毒浓度与总磷（TP）、总氮（TN）和溶解氧（DO）等水质指标呈正相关，但与游离氯的投加量呈负相关。腺病毒无法被饮用水处理厂完全去除，在二次供水中仍能检测到，这给人们的健康带来了风险。对二次供水中腺病毒进行的定量微生物风险评估表明，肠胃炎的伤残调整生命年（DALYs）/人/年高于最大可接受风险水平（1×10⁻⁶ DALYs/人/年）。通过Monte Carlo模拟（100,000次迭代）进行的不确定性分析表明，腺病毒造成的风险有显著变化（从8.11×10⁻⁶降至2.68×10⁻⁴ DALYs/人/年）。人类相关病毒在饮用水系统中的持久性和累积性表明，直接饮用二次供水存在较高风险，病毒去除技术的效率值得我们关注。