环境因素对病毒在水体中生存与传播的影响

王珺瑜， 赵晓丽， 梁为纲， 牛 琳， 汪 霞， 王晓蕾

1.中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012

2.北京师范大学水科学研究院， 北京 100875

目前，由新型冠状病毒(2019-nCoV)感染引起的急性呼吸道传染病在世界各地流行，世界卫生组织将其命名为新型冠状病毒肺炎(COVID-19). 2020年3月11日，世界卫生组织宣布COVID-19为全球大流行病，表明该疾病已经在全球范围内广泛传播[1]. 2019-nCoV的传播途径主要为接触传播、飞沫传播和气溶胶传播[2]. 然而，目前已有研究在确诊患者的粪便中检测出2019-nCoV核酸[3-5]，最新研究首次在污水中检测出2019-nCoV[6]，进一步揭示了病毒通过粪-口传播的可能性.

长期实践表明，人类和动物的排泄物是水体病毒性污染的重要来源，许多病毒可以通过粪便和尿液排出体外，带来潜在的水污染风险[7]. 在许多病毒性疾病发生和流行的过程中，水是病毒传播的一种重要媒介[8]. 许多病毒在水环境中能保持几天到几个月的传染性，并在城市水循环系统中迁移和传播(见图1). 目前已发现的介水传播病毒有700余种，其中大约有140余种可以通过粪便进入水体[8]，包括SARS病毒、甲型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒、诺如病毒、轮状病毒、腺病毒和流感病毒等. 介水传播病毒一旦未被及时防控，将借助水流四处传播，导致疫情的大规模暴发，是当今世界危害范围最广的环境问题之一[10]. 近几十年来，由介水传播病毒引起的传染病在全球各地频繁暴发，严重威胁了人类的生存与健康. 如1955年印度由水源污染引起戊型肝炎大暴发、2003年由SARS病毒引起的非典型性肺炎在32个国家和地区暴发流行、2014年美国暴发了20年来最大的一次诺如病毒疫情，均造成了十分严重的后果. 据统计，自2010年以来，由肠道病毒引起的手足口病发病人数一直位列我国法定报告传染病的首位[11].

注： A—感染者的粪便、尿液或呕吐物； B—市政排水管网； C—污水直排口； D—污水处理厂； E—尾水排放口； F—污泥处置； G—受纳水体； H—污水管道泄漏； I—自来水厂； J—城市饮用水消费者暴露于病毒； K—景观用水.

病毒通常由蛋白质外壳和核酸构成，必须在活细胞内寄生，才能以复制方式增殖[12]. 然而，国内外许多研究表明，病毒核酸在宿主生物之外的各类水体中均有检出，如废水、再生水、湖水、河水、海水等[13-16]. 致病性病毒在环境水体中的广泛存在揭示了植物、动物和人类接触及其介水传播感染的可能性. 病毒进入水体后不能繁殖，因此病毒在水体中的传播潜力在很大程度上取决于其在水环境中的存活能力(病毒保持感染性的时间)，主要受各类物理(温度、光照)、化学(pH、盐度、悬浮颗粒物)和生物(病毒自身结构、水体中存在的微生物)因素的共同影响[17-18]. 了解各类环境因素对水体中病毒的生存与传播的影响对于介水传染病的预防和控制具有重要意义. 该研究主要探讨了人类和动物致病病毒在水环境中的存活情况及其传播的可能性，以及各类物理、化学和生物因素对病毒生存与传播的影响，以期为环境水体中病毒等微生物的控制及其生态环境与人体健康风险评估提供理论基础.

1 水体温度和光照的影响

温度是控制病毒存活最重要的因素[19]. 在大多数环境中，病毒的存活可以通过温度来预测. 据报道，温度越低，病毒存活时间越长；温度越高，病毒在水体中的死亡率越高，尤其当温度超过20 ℃时，病毒存活率随温度的升高而大幅降低，其主要原因在于高温能够破坏病毒壳体蛋白和核酸或加强胞外蛋白酶、核酸酶的活性，从而导致病毒失活[20]. Raphael等[21]研究表明，在4 ℃处理的自来水中，即使在64 d后，轮状病毒滴度也未显著下降，而在20 ℃处理的自来水中，同一时期病毒滴度下降了约2 lg(CFUmL). Biziagos等[22]研究表明，脊髓灰质炎病毒在室温保存下的人为污染矿泉水中存活不到300 d，而在4 ℃保存下的相同水体中能够保持活性长达1 a. 因此，低温能够大幅延长病毒的存活时间. Wetz等[23]研究表明，在22 ℃下的过滤海水中，90%的脊髓灰质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诺如病毒在-20 ℃、4 ℃、室温(约24 ℃)和37 ℃的河水中的存活能力，结果表明，低温(4 ℃和-20 ℃)有利于试验病毒的存活，而病毒在37 ℃和室温下的衰减率较高. Jarungsriapisit等[25]研究表明，沙门氏菌在海水中的存活率随温度升高而降低. 此外，不同病毒对温度的敏感性不同，不同病毒在不同温度各类水体中的存活也存在差异(见表1)，这与病毒本身结构和特性以及水质差异性有关.

表1 一些病毒在不同温度水相环境中的存活情况

图2 包膜病毒基因组、蛋白质和脂质对紫外线照射的反应[32]

在水环境中，病毒的存活不仅取决于温度，还取决于光照. Fujioka等[31]报道，海水中的几种肠道病毒在阳光下比在黑暗中灭活得快. 紫外线能够通过破坏病毒核酸以阻止它们的复制，从而灭活病毒(见图2)，灭活效果取决于紫外线辐照剂量. Lénès等[33]研究表明，紫外线照射能够有效去除和灭活H5N1流感病毒，当辐照剂量为25 mJcm2时，流感病毒的灭活率至少为5 lg(TCID50mL). 与温度相似，不同病毒对紫外线的敏感性不同，这同病毒本身结构和特性有关. 与双链病毒相比，单链病毒更容易被紫外线灭活，原因在于在紫外线照射下只有一条核酸链发生断裂，而未断裂的核酸链可以继续参与复制[34]. Thurston-Enriquez等[35]研究表明，在水体中致使99%腺病毒失活(双链DNA病毒)所需的紫外线辐照剂量为109 mJcm2，而对于单链RNA猫杯状病毒，达到相同的失活率只需16 mJcm2的辐照剂量. Lee等[36]对比了天然地表水中四类大肠杆菌噬菌体对紫外线辐射的敏感性，结果表明，PhiX174噬菌体和Lambda噬菌体对紫外线辐射最具抗性，T4噬菌体对紫外线辐射最为敏感〔紫外线辐照剂量为10 mJcm2时，病毒的灭活率大于6 lg(PFUmL)〕. Fenaux等[37]研究表明，戊型肝炎病毒对紫外线的抗性与其他肠道病毒(如甲型肝炎病毒)相似，但低于MS2噬菌体. ZHANG等[38]研究显示，传统的水处理过程(吸附过滤、化学消毒和紫外线辐射)无法有效去除病毒，且容易产生消毒副产物，水体光催化消毒以其强大的氧化能力和良好的太阳能利用潜力，能够有效地灭活致病病毒.

2 水体中微生物的影响

水体中的微生物能够产生对病毒颗粒不利的代谢物，或者利用病毒衣壳作为营养来源[39]，直接或间接作用于病毒导致其失活. Brown等[40]研究发现，废水处理系统中病毒与关键菌群会发生相互作用，从而影响出水水质. Eregno等[41]研究了不同深度海水样本中致病病毒的衰减率，结果表明，生物活性可能是影响沿海水域自净能力的重要因素之一. 腺病毒在表层海水中的衰减率高于在深层海水中的衰减率，这可能是由于表层海水具有较高的生物活性和微生物多样性，促进了病毒与其他微生物之间的相互竞争和相互作用. 微生物对病毒的失活作用与温度有关. 混合废物的温度越低，病毒的存活时间就越长. 此外，温度会强烈影响微生物的活性，从而影响病毒的持久性. Gordon等[42]研究显示，灭菌条件下病毒存活时间更长，推测影响地下水中病毒存活的最重要因素为微生物的活性，而温度和氧化还原条件则通过影响微生物的活性而间接影响了病毒的存活能力. 相反，水体中存在的微生物也有可能改变温度对病毒失活的影响趋势. 如微生物不存在时，温度对脊髓灰质炎病毒的存活没有显著影响，而当微生物存在时，病毒在28 ℃下的失活率显著高于15 ℃下的失活率[42]. Raphael等[21]研究也显示，轮状病毒在灭菌淡水中可持续存活64 d，且不受温度的影响，而在不灭菌淡水中，T99分别为10 d(20 ℃)和32 d(4 ℃). 目前已从环境中分离出具有抗病毒能力的细菌，如Sekar等[43]从海水、红树林水体、沉积物等不同来源中分离出各种细菌，并成功筛选出能够抑菌白斑综合征病毒的三类菌株，表现出强烈的抗病毒活性.

3 水体中悬浮颗粒物的影响

此外，悬浮颗粒物对病毒在多孔介质中的运移也存在显著影响. Syngouna等[50]研究表明，不同物理化学条件(如粘土的化学性质、表面电荷、病毒的大小和类型)下，胶体颗粒可以促进或阻碍病毒的传输. 水流方向对病毒的吸附和滞留有显著影响，病毒在下降流中比在上升流中更容易附着，附着在黏土上的病毒能够随着水流向下穿透地下地层，从而在含水层中长距离传播，造成潜在的地下水污染问题. QIN等[51]研究了二氧化硅纳米颗粒(nSiO2)在病毒运移过程中的作用，结果表明，在饱和多孔介质中nSiO2阻碍了病毒的传输，病毒滞留较多. 主要原因在于病毒与nSiO2形成团聚体堵塞孔隙. 在非饱和多孔介质中，nSiO2促进了病毒的传播. 由于毛细力强于病毒与nSiO2间的相互作用，抑制了颗粒的团聚. 悬浮nSiO2与病毒争夺吸附位点，这种竞争通过静电排斥抑制了病毒的滞留，并同时促进病毒在非饱和条件下的运输(见图3).

图3 饱和与非饱和多孔介质中nSiO2对病毒传输与滞留的影响[51]

4 水体pH、盐度的影响

大多数天然水的pH为5～9，在此范围内pH对病毒在水环境中存活的影响较小，而温度和悬浮颗粒物的影响更为重要. 已有研究[30]发现，室温下2019-nCoV在pH为3～10的范围内非常稳定(见表2). 病毒颗粒的表面电荷随pH的变化而变化，改变pH能够改变病毒颗粒之间及其与环境表面的静电相互作用，从而影响病毒在水环境中的持久性[18,39]. 不同病毒在水中的等电点不同[52](大多数病毒的等电点在3.5～7 之间)，因此不同病毒对pH的敏感性存在差异. 肠道病毒在大多数天然水体的pH范围内是非常稳定的，它们通常在pH=7附近最为稳定，在酸性(pH为3～5)条件下比在碱性(pH为9～12)条件下更为稳定[39]. Pancorbo等[53]研究表明：轮状病毒感染率的降低与水体pH显著相关；随着pH的增加，病毒传染性下降得更快. 与未受污染的湖水相比，受污染的小溪水中虽然含有更多的悬浮颗粒(有利于病毒存活)，但轮状病毒的传染性在小溪水(pH=7.8)中比在湖水(pH=6.0)中下降得更快[53]. 这主要由于水体pH影响了病毒的团聚，从而影响轮状病毒对水中抗病毒因子的敏感性. Cannon等[54]研究表明，小鼠诺如病毒在整个pH为2～10的范围内保持稳定〔pH=2时失活率<1 lg(PFUmL)〕，而猫杯状病毒在pH为3～9的范围内迅速失活.

表2 室温下2019-nCoV在pH为3～10范围内的存活情况[30]

图4 无机离子对人腺病毒团聚和吸附行为的影响[55]

无机离子可以影响病毒的团聚和吸附性能，从而改变其活性. 理论上，在较高离子强度下，病毒颗粒的团聚和吸附性能较好(压缩双电层、阳离子架桥等作用). 已有研究[39]表明，肠道病毒容易在盐离子含量较低的水中失稳，随后失活. 相反，盐浓度的增加(如NaCl)可能对许多其他病毒具有抗病毒作用. Wong等[55]研究表明，二价阳离子中和或屏蔽病毒表面电荷的效率远远高于一价阳离子. 因此，在中性pH下，二价阳离子的存在促进了人腺病毒的团聚和对沙土的吸附(见图4)，从而增强了病毒在环境中的生存能力和对消毒剂的抵抗力[56]. 盐度对病毒存活能力的影响在不同病毒之间存在显著差异. Brown等[57]研究表明，水体pH和盐度会影响禽流感病毒在自然水生环境中的存活能力. 病毒在弱碱性(pH为7.4～8.2)、淡水至微咸(0～20 000 ppm)水体中最为稳定，在酸性(pH<6.6)和高盐度(>25 000 ppm)水体中的存活时间较短. Tran等[58]研究表明，较高的水盐度会降低病毒的存活率，在较低的温度下，盐度的影响更为显著. 某些重金属(如铜和银)被认为具有抗病毒特性，然而它们在水中的浓度通常过低，不会对自然水体中的病毒产生影响[59].

5 结论与展望

5.1 结论

致病病毒在水环境中的存活和传播潜力与紫外线强度、水体温度、pH、盐度、以及水体中存在的微生物和悬浮颗粒物等环境条件密切相关.

a) 低温能够大幅延长病毒的存活时间，更有利于病毒在水环境中的传播，增加介水传染病感染的风险. 高温能够加速病毒失活从而削弱病毒的传播潜力.

b) 紫外线照射通过破坏病毒核酸能够有效去除和灭活病毒.

c) 水体中的微生物能够产生对病毒颗粒不利的代谢物，或者利用病毒衣壳作为营养来源，从而导致病毒失活. 微生物对病毒的失活作用与温度有关，温度通过影响微生物的活性而间接影响病毒的存活能力. 相反，水体中存在的微生物也有可能改变温度对病毒失活的影响趋势.

d) 各类水体中存在的大量悬浮颗粒物对病毒的吸附，大大延长了病毒的存活时间，从而增强了病毒在水体中的潜在传播能力；此外，悬浮颗粒物能够促进或阻碍病毒在多孔介质中的传输与滞留.

e) pH通过改变病毒颗粒的表面电荷，影响病毒的团聚，从而影响病毒在水环境中的持久性.

f) 无机离子通过影响病毒的团聚和吸附性能，从而改变其活性. 通常，在较高离子强度下，病毒颗粒的团聚和吸附性能较好，在水环境中的稳定性更强. 此外，较高的水盐度也可能会降低病毒的存活率.

综上，环境介质因素对病毒存活的影响可能因不同的病毒特性而异，如基因组的性质(双链或单链基因组)、病毒外壳蛋白的结构和病毒粒子表面电荷的差异，因而相关机理尚需进一步研究.

5.2 展望

随着COVID-19疫情的发展，2019-nCoV在粪便和污水中的检出引发了排污水行业极大的关注与讨论. 2019-nCoV可能通过被感染者的粪便、尿液或呕吐物排出，在市政污水处理系统以及城市生活垃圾收集和处理系统中存在着潜在的传播风险. 因此，未来的科学研究应在环境因素影响研究的基础上，进一步探讨水环境中2019-nCoV存活能力的变异性，2019-nCoV 在废水和饮用水处理过程中的赋存与归趋，并对废水、娱乐水域和饮用水中的2019-nCoV进行长期监测和定量风险评估.