病毒对地下水的入侵风险与防控对策浅析

李 瑞， 徐从超,2， 姜 玉,3， 郝 艳， 杨予宁， 李鸣晓， 姜永海， 许秋瑾， 席北斗,2,3*

1.中国环境科学研究院， 国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室， 北京 100012

2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院， 北京 100083

3.上海大学环境与化学工程学院， 上海 201900

4.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

2020年初，我国新型冠状病毒肺炎疫情形势严峻，党中央高度重视，人民群众密切关注. 习近平总书记提出要把人民群众的安全和身体健康放在第一位，要把新型冠状病毒肺炎疫情防控工作作为当前最重要的工作来抓；做好新型冠状病毒肺炎疫情防控工作，直接关系人民生命安全和身体健康，也关乎经济社会大局稳定. 为响应党中央号召，2020年1月生态环境部相继印发《新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗废物应急处置管理与技术指南(试行)》《应对新型冠状病毒感染肺炎疫情应急监测方案》等文件，积极部署疫情防控相关环境保护措施. 这次重大公共卫生安全事件表明，病毒可能会成为人类发展未来的“头号公敌”.

地下水是我国重要的饮用水源，338个地级及以上城市中，有329个使用地下水作为饮用水源(占比约97%)；此外，我国有近1.7×104眼农村分散式饮用水井[1]. 病毒一旦入侵地下水饮用水水源地，其传播过程与人体健康风险具有隐蔽性、复杂性、不确定性[2]. 因此，生态环境部强调切实做好疫情严重地区饮用水水源地环境质量监测. 疫情防控期间，在饮用水水源地常规监测的基础上，增加余氯和生物毒性等疫情防控特征指标的监测，发现异常情况时加密监测，并及时采取措施、查明原因、控制风险、消除影响，切实保障人民群众饮水安全.

环境病毒学，即研究病毒在水、土、气、食物和人体等介质中的传播行为，近年来逐渐成为热点[3]. 病毒在地表水、土壤、地下水、空气中的传播过程受地质条件、水文、气象等因素制约[4]. 有关病毒对地下水的入侵风险，人们的认知仍然有限. 该研究拟总结病毒入侵地下水卫生安全事件，综述病毒在地下介质中的传播途径与迁移转化，分析地下水病毒入侵风险防控面临的问题与挑战，并提出相关对策建议，为未来的病毒防控提供一些参考.

1 病毒对地下水的入侵事件

地下水中最为常见的病毒为动物病毒，如腺病毒、大肠杆菌噬菌体、科萨奇病毒、肠道病毒、脊髓灰质炎病毒和轮状病毒等，且每种病毒有多种类型[5]. 对人体危害较大，能够引起多种疾病，包括肠胃炎、瘫痪、皮疹，心肌炎和呼吸道疾病等[6]. 饮用水病毒导致感染所需剂量非常低，暴露于1个轮状病毒颗粒感染的概率为31%，肠道病毒通常仅需1～102个病毒颗粒即可引起感染[7]. 1971以来，美国所暴发的疾病中，超过50%的饮用水源受污染所致；2011—2012年发生32次水源性疾病，其中由于病毒入侵地下水导致的病例占32%[8]. 根据欧盟环境与健康信息系统14个国家的数据，2000—2007年共出现148起由肠道病毒引起的水源性疾病，占总水源性疾病的42%[9].

2014年11月26日杭州市西湖区某中学由于饮用受粪便污染的地下水，诺如病毒感染导致胃肠炎82例[10]. 2015年2月19—28日，浙江省临海市沿岙村由于公共水井被粪便污染，引起轮状病毒感染性腹泻疫情165例，临床表现为腹泻、呕吐[11]. 2017年9月25日—10月1日，广西壮族自治区黄桃古镇景区由于粪便污染地下水井，引起诺如病毒胃肠炎疫情[12]. 2019年12月8日发生的新型冠状病毒肺炎疫情严重威胁全球人类生命健康，截至2020年4月9日全球共有152×104人感染，经临床证实，感染者粪便中新型冠状病毒核酸呈阳性，存在通过粪便传播的风险[13]. 笔者统计了不同时间、国家和地区病毒入侵地下水水源污染事件，由表1可见，世界各地均出现不同程度的地下水病毒污染事件，影响人数众多，污染来源与途径较为复杂. 目前人类对病毒的认知仍然有限，如新型冠状病毒的高致病风险病毒是否会进入地下水尚未可知.

表1 部分地区地下水病毒入侵事件统计

2 地下水中病毒的迁移特征及防控现状

2.1 地下水中病毒的迁移特征

病毒和其他病原体可通过多种途径，包括垃圾填埋场渗滤液渗漏、排水管网渗漏、化粪池渗漏、再生水回灌等，穿透土壤与非饱和带，在含水层中迁移数百米[22]. 2019年1月16日，莫斯科国立大学的研究团队在托木斯克地区2 km深处发现了三株噬菌体病毒的DNA[23]，证明病毒在地下水中的传播距离较远. 病毒在地下介质中的迁移主要包括吸附和失活两个过程，与病毒表面带电性、微生物拮抗、土壤理化性质、地下水化学组分、水文地质条件、温度等因素密切相关[24]. 病毒粒径较小(0.02～0.3 μm)，几乎可以通过所有类型的地下孔隙介质. 不同病毒在地下水中的存活能力各异，某些病毒存活时间在28～188 d之间不等[25].

病毒在地下介质中会发生一系列物理、化学及生物反应，其中物理和化学过程对病毒迁移的影响较大. 物理作用主要包括机械过滤及稀释，该过程主要产生净化效应. 病毒的粒径(0.02～0.3 μm)较小，在多孔介质中不易被过滤和净化，随着水流进入含水层系统几率较高. 水文地质条件及地下水补径排关系会直接影响病毒的迁移，Gotkowitz等[26]通过地下水病毒运移模拟研究，发现温度、地下水流速与病毒的吸附迁移呈负相关. 化学作用主要包括吸附、溶解、沉淀、氧化还原、化学降解、光解等，其中吸附是病毒迁移的主要影响作用. 生物作用会导致病毒衰减. 李硕[27]通过室内模拟试验研究了肠道病毒在包气带迁移的水化学影响因素(见图1)，发现病毒迁移过程受pH和胶体吸附等化学作用影响较大. Taylor等[28]利用大肠杆菌噬菌体和惰性溶质进行了示踪试验，惰性溶质大部分未被捕获，而抽水井中噬菌体被快速检出，表明病毒在地下水的流速已超过惰性溶质. 纵观病毒在地下水中的迁移转化研究，目前主要集中在定性研究，定量研究仍然有限.

注： AWI为气-水界面; AWS为气-水-固界面; SWI为固-气界面.

该研究在Web of Science数据库中以地下水和病毒为关键词检索，统计了2001—2020年地下水病毒领域主要国家发表的文献数量及主要研究方向. 由图2可见：目前关于地下水病毒研究数量，美国最多，中国相对较少；地下水病毒领域的文献发表数量逐年增加；地下水病毒相关研究主要集中在环境科学生态学、微生物学、公共环境卫生等，未来研究趋势可能向遗传、水资源、分子生物学、毒理学等倾斜.

2.2 国内外地下水病毒入侵防控现状

目前，地下水饮用水水源地病毒入侵防控措施主要包括污水消毒、制度法规管理、调查评估与监测[29]. 地下水病毒的检测方法有多种，传统的细胞培养法通过感染阳性、阴性试验确定病毒活性；核酸扩增法如聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR)、逆转录PCR (reverse transcription-PCR, RT-PCR)、实时荧光定量PCR (quantitative real-time PCR, qPCR)等[30]，改进了水环境中病毒检测灵敏度，但不能区分致病性和人体健康风险；细胞培养联合PCR法能够检测病毒的致病性，但操作流程相对复杂[31]. 病原体病毒是偶发性的且难以检测，因此粪便中的细菌指标通常用于判断地下水病毒污染程度. Fout等[32]研究发现，总大肠菌、大肠杆菌和体细胞噬菌体之间呈显著相关，确定了粪大肠杆菌作为地下水病毒污染监测指标的有效性.

美国建立了水源性疾病和疫情监测系统(WBDOSS)，通过收集全国水源性病毒污染数据，统计分析相关事件，为制定水质监测指标提供支撑[33]. 同时将腺病毒、杯状病毒、肠道病毒和甲型肝炎病毒纳入水质评价体系[34]. 英国在非洲埃博拉疫情暴发地区塞拉利昂研究了病毒对地下水水源的入侵情况，采取水源地卫生防护措施，确定了厕所、墓地等污染源横纵向安全距离，定期调查评估水源地周边病毒污染风险[35]. 韩国通过敏感性较高的巢式逆转录聚合酶链反应技术(RT-PCR)分析了全国300多个采样点的诺如病毒含量，研究病毒含量与大肠杆菌指标之间的相关性，修订完善水质监测标准[36].

图2 2001—2020年地下水病毒领域相关文献检索

我国印发的《饮用水水源保护区污染防治管理规定》要求禁止向水域倾倒粪便及其他废弃物，运输有毒有害物质、粪便的船舶和车辆一般不准进入保护区，并在保护区内设置防渗、防溢、防漏设施. 2006年修订的GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》，增加了与病毒微生物污染相关的大肠埃希氏菌、耐热大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫等水质指标，但是有关病毒的指标仍然缺失[37]. GBT 14848—2017《地下水质量标准》限定了地下水饮用水源地微生物指标：总大肠杆菌群应小于0.03 CFUmL (CFU表示菌落形成单位)， 菌落总数应小于100 CFUmL[38]. 但目前我国仍然缺失地下水饮用水病毒直接评价指标，农村中小型地下水水源及供水系统基础设施不完善、缺乏消毒评价标准.

3 地下水病毒入侵风险防控面临的问题与挑战

3.1 风险防范意识有待加强

地下水与地表水、土壤交互关系密切. 病毒入侵地下水并危害人体健康在国内外均有实例，且该过程隐蔽、复杂、难防控. 在积极采取防疫类固废、医疗废水、生活污水与垃圾、地表水、空气等相关环境保护措施的同时，病毒对地下的入侵风险防范意识亟需加强. 针对农村分散式地下水饮用水源，更要重视病毒风险防控及饮用水安全，防范病毒向农村蔓延. 病毒在土壤及地下水中的环境行为具有高度隐蔽性、复杂性、不确定性，人们对该过程的健康风险防范意识仍有待加强.

3.2 地下水病毒科学研究存在短板

病毒在地下水迁移转化是一个复杂的过程，受含水层介质、地下水环境、地下水流、病毒自身变异性等多因素影响，存在较大的不确定性. 关于地下水中病毒的调查分析、吸附及衰减过程、运移规律和趋势预测、健康风险评估等问题，目前的认知仍然十分有限. 病毒进入地下迁移并威胁人体健康是一个相对滞后、漫长的过程，主动调查研究、防微杜渐刻不容缓. 病毒在地下水、土壤、地表水等环境介质中的行为机制仍不明确；地下水病毒的检测分析方法、病毒的运移规律及过程模拟方法、病毒的反应及衰减机制等相关研究有待加强；亟需研究制定地下水病毒调查监测及人体健康危害风险评价相关标准.

3.3 应急防控与预警能力仍然不足

地下水饮用水水源地病毒的应急监测及预警预报技术水平有限，突发性病毒污染事件的应急响应机制、对策、经验等均存在短板. 针对病毒在土壤及地下水中的应急阻控技术与对策存在缺口、病毒污染地下水应急处理处置关键技术储备不足等问题，亟需制定病毒污染地下水应急防控预案及相关技术指南.

4 地下水病毒入侵防控对策建议

图3 地下水病毒入侵防控对策

该研究提出了三方面地下水病毒入侵防控对策建议，具体思路见图3.

a) 源头排查风险，防患于未然. 在已知病毒可入侵地下水但传播机制不清的前提下，应加强病毒入侵地下水饮用水水源地风险防范意识. 在地下水饮用水水源地保护区及补给区，严格管控防疫类固废、医疗废水、疫区居民生活污水及化粪池，综合应用物探、人工智能等技术，排查检测市政排水管网及污水排放口、化粪池、垃圾填埋渗漏情况，从源头上防范病毒进入地下水. 农村地下水饮用水、生活用水、食品蔬菜需经过化学或高温消毒后使用.

b) 加强地下水饮用水水源地病毒调查研究. 研究病毒在土壤及地下水中的存活能力、迁移转化机制、环境行为特征、模拟预测技术、健康风险评价方法. 制定地下水饮用水水源地病毒调查监测技术规范、指南，重点监测地下水中粪大肠杆菌等生物指标，应用逆转录聚合酶链反应法(Reverse Transcription-PCR Method)分析地下水中人类肠道病毒(包括新型冠状病毒)，指导疫情严重地区科学调查、防范风险.

c) 筹划应急防控对策. 建议加强城市居民生活用水及农村分散式地下水饮用水消毒管控措施，以地下水作为主要饮用水源的地区应预先研究备用水源应急启动方案，提前做好地下水应急监测预警、饮用水消毒处理、环境质量信息公开等相关准备工作，制定地下水饮用水水源地病毒应急防控预案.

5 结论

a) 2001—2020年世界各地均出现不同程度的地下水病毒污染事件，影响人数众多，污染来源与途径较为复杂. 2020年新型冠状病毒肺炎疫情影响重大，病毒有入侵地下水的风险. 病毒在土壤及地下水中的环境行为具有高度隐蔽性、复杂性、不确定性，人们对这一过程的健康风险防范意识仍有待加强. 针对病毒入侵，需要严格管控防疫类固废、医疗废水、疫区居民生活污水及化粪池，综合应用物探、人工智能等技术，新型冠状病毒肺炎疫情期间应加强排查检测市政排水管网及水源地避免受污水排放口、化粪池、垃圾填埋渗漏等情况影响.

b) 病毒在地下水迁移转化是一个复杂的过程，受含水层介质、地下水环境、地下水流、病毒自身变异性等多因素影响，存在较大的不确定性，相关科学研究有待进一步加强. 如研究病毒在土壤及地下水中的存活能力、迁移转化机制、环境行为特征、模拟预测技术、健康风险评价方法等.

c) 我国在水质标准方面仍然缺少直接的病毒评价指标，对于地下水病毒入侵的应急防控仍然存在短板，病毒污染地下水应急处理处置关键技术储备不足，亟需编制病毒污染地下水应急防控预案及相关技术指南，并针对地下水饮用水水源地病毒制定应急防控预案.