城市污水处理厂中SARS-CoV-2的研究进展

2022-12-22胡雨婷王晶宛立刘凯凯吴英海

环境与发展 2022年4期

胡雨婷，王晶，宛立，刘凯凯，吴英海

（大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023）

全世界的疾病约有80%是通过水来传播的，被病毒污染的水易造成病毒扩散、威胁生命。病毒造成的水污染问题每年造成不可计量的损失。病毒是许多致命疾病的主要病原，包括但不限于的疾病有如伤寒、肠胃炎和肝炎等。其中冠状病毒是一种单股正链RNA病毒，会导致几种严重的呼吸道感染疾病。2019年12月起爆发的席卷全球的新型冠状病毒肺炎（COVID-19），正是由于新型冠状病毒（SARSCoV-2）引发的。类似SARS-CoV-2 的病原体可能会从人类粪便中分离而进入环境中。此外，废水净化后回用、各种非法活动、畜牧业、医院污水或大面积生物事故后的地表水径流都有可能成为病原体的来源。

污水厂作为城市污水的“汇”以及污水受纳水体的“源”，面临SARS-CoV-2的威胁和消除重任。SARS-CoV-2 的RNA 不仅同时存在于患者的粪便和唾液中，研究还显示它也存在于原废水、初级污泥和河水中[1]。废水监测中已发现SARS-CoV-2的存在，如美国路易斯安那州的一项研究首次在北美废水中检测到了SARS-CoV-2[2]。因此，未来需要的研究工作，例如了解污水中病毒的出现、存在的持久性以及在此之上去探讨其对人群的风险和防治措施越来越重要。

已有一些研究介绍了SARS-CoV-2 的危害以及其防控方法，目前缺少系统地分析SARS-CoV-2 在国内外污水厂出现、富集、检测及防治的研究。本综述依据近两年的研究成果评述了国内外污水厂中SARS-CoV-2 的出现、风险、检测方法以及防治措施，为污水厂中SARS-CoV-2的研究和防治提供参考。

1 污水厂中的SARS-CoV-2的出现

病毒通常在自然水体和废水中含量丰富，尤其是受污染水环境和城市污水中。根据以往经验，常规的污水处理方法对于废水中病原体的去除并不是都适用的，其中残存的病原体对公众卫生安全造成重大风险。有研究在未处理和处理过的废水中均检测到SARS-CoV-2的RNA[3]。此外，Chatterjee 等[4]的团队在污水处理厂的污泥样本和同一污水处理厂的干燥床样本中，都发现了病毒株。这些研究表明，SARS-CoV-2 极有可能出现在废水中，或者是由于某些污水厂不具备较好的处理设备而导致SARS-CoV-2在处理后的废水中依然存在。

目前对于SARS-CoV-2 是否在处理后的污水中一定出现这个问题还没有一个统一答案，这取决于污水处理工艺、消毒工艺以及采样的偶然性。但是如果仅仅针对它是否会出现在污水厂中，那么已经有多次报道指出这个问题。如Wu 等[5]使用RT-qPCR 检测了马萨诸塞州一个主要城市处理设施收集的废水，发现存在高滴度的SARS-CoV-2。然后，他们通过直接DNA 测序确认PCR 产物的身份，并根据临床确诊病例，推断SARS-CoV-2已经开始在污水中富集、传播。还有Carrillo-Reyes 等[6]采用RdRP、S、N 基因分析方法对墨西哥污水中SARS-CoV-2的RNA进行监测，发现克雷塔罗市两个污水处理厂进水SARS-CoV-2 的RNA 监测结果与累计COVID-19 病例相关，结果是二级污泥的RNA水平高于进水污泥，说明病毒在活性污泥中富集。在国内污水厂中，关于污水中的SARS-CoV-2处理的相对较好，虽然少数污水中仍然存在低浓度的SARS-CoV-2，但是最终经过污水处理厂净化消毒后，排放到外环境中的污水并不存在SARS-CoV-2[7]。

污水厂中的SARS-CoV-2 来源于粪便、医疗废水以及各种生活废水，其中大部分来源于粪便。决于感染过程的不同，SARS-CoV-2 阳性者粪便中的病毒载量估计在5×103～1×107.6copies/mL 之间。在下水道中，粪便经过稀释，进入污水处理厂的废水中的病毒载量大幅下降，范围为0.02～3×103copies/mL，这取决于病毒在此地区的流行程度。这种稀释是由多种因素造成的，例如人每天排入污水的流量（大约是人均每天饮用水的80%，稀释率约为103倍）和雨水或渗入下水道网络中的寄生虫流入。此外，并非全部人口都对病毒载量有所贡献，具体取决于污水处理厂服务的人口中阳性病例的百分比。举例来说，截至2020年4月10日，伦巴第是受影响最严重的意大利地区之一，100,000 人中病例数为560 例，产生了5.6×103倍的进一步稀释[8]。

当前污水厂中的SARS-CoV-2 存在于各个工艺环节中。在二级处理生物池、剩余污泥以及污泥干化池等均发现SARS-CoV-2 的存在[3,4]。就含量来说，已有研究发现二级处理后的污泥中SARS-CoV-2 载量达到最大[6]。因此，在采取去除措施（例如消毒灯）时应该根据其浓度的不同选择不同的处理方法。

2 城市污水处理厂中SARS-CoV-2 存在的风险

在COVID-19 大流行期间，城市污水处理厂中存在SARS-CoV-2的危害是十分严重的。首先，SARS-CoV-2 存在于污水厂中污水处理的各个环节，那么其病毒对于污水厂的工作人员就有风险。污水通过排水管网进入污水处理厂，存在病毒暴露引发操作人员感染、处理不当造成受纳水体污染等的风险[9]。另有研究估计操作人员与污水进水口和生物氧化池接触时会有较高的平均感染风险，达到3 分钟的接触感染风险分别为15.64%和12.73%[10]。尽管一线人员都佩戴好护目镜、穿戴好防护服，但长期处于风险地区下仍有被感染的可能。

其次，在许多国家由于缺乏水资源，废水会被用于灌溉农田。此外，处理后的废水产生的污泥是极好的肥料，在农业中经常使用。二次处理废水(TWW)可以提供一种廉价和可持续的水灌溉替代方案，并确保粮食安全，特别是在水资源匮乏的地区。然而，TWW 可能通过将病原体引入灌溉的土壤和作物，特别是引入生吃的灌溉蔬菜。然后，由于病毒在土壤中的迁移或食用受污染的水果蔬菜或者是饮用受污染的水体，种种方面都会对公共健康造成威胁。根据条件的不同，病毒可以在污水灌溉的植物上存活数天至近4 周不等的时间[11]，虽然在一段时间后蔬菜上检测到病毒基因组的存在并不代表有感染性病毒颗粒的存在，但也没有相应的研究表明病毒完全不存在。

另外，若沿海城市污水厂中存在SARSCoV-2，如果废水处理或排放管理不善，未经处理的废水会携带传染性SARS-CoV-2 进入海洋哺乳动物赖以生存的天然水系统。根据已有的海洋哺乳动物物种的易感性研究资料，预计许多物种的鲸鱼、海豚、海豹以及水獭极易受到SARS-CoV-2的感染，而一些可食用鱼类感染病毒又将威胁人类社会[12]。

诸如此类都是SARS-CoV-2 存在于污水厂中所带来的威胁，这一系列威胁的内部是相互联系的环节，因此在处理时不仅要在源头上防止COVID-19 扩散，还需要做好污水处理工作，注意病毒大流行对于环境的危害以及由此带来的社会和经济后果。

3 SARS-COV-2在污水厂中的检测

不同于从受感染人员直接取样检测SARS-CoV-2，在水生环境中检测病毒方法的实施还可能遇到一些障碍，包括：样品的大量稀释、基质对分析结果的影响以及诱变的可变性等。在被粪便污染的水中，病毒的数量相对较少。因此，在后续的RNA 提取和RT-qPCR检测前，采用有效的浓度浓缩方法才能确定准确的病毒含量。浓缩方法包括电负膜吸附、聚乙二醇沉淀、超滤和固体沉淀等多种，具体利用需要根据实际情况确定。

对于SARS-CoV-2 检测方法方面，目前有聚合酶链反应（PCR）、生物传感器的应用、酶联免疫吸附测定（ELISA）、原子力显微镜（AFM）等。运用较为广泛的检测方法是PCR方法，PCR是一种利用被称为引物的合成核苷酸短序列来检测病毒的方法，在现阶段不论是单独使用或者是与其他方法共用都卓有成效。在单独使用方面，已有研究表明通过采用多种PCR 方法检测样本中的SARS-CoV-2 核糖核酸(RNA)证明SARS-CoV-2即使在病例比例为0.001%的情况下，也可以以较低的频率被检测到，即废水中的SARS-CoV-2可在疫情早期检测到，即使确诊病例的数量可能低于实际病例的数量，这说明PCR 技术可以作为SARSCoV-2 疫情的早期预警[13]。在共用方面，PCR与模板形成的组合测试也是可能的。PCR 用于扩增脱氧核糖核酸（DNA）的特定序列。在该反应中，称为模板DNA的双链DNA被扩增。由于PCR技术的高度特异性，已被用于检测环境中的病毒，尤其是肠病毒和甲型肝炎病毒（HAV）。但是，PCR这种方法的敏感性和特异性取决于通过浓缩和纯化过程从样品中回收病毒的效率，以及通过去除PCR抑制性物质回收的病毒最终纯度，因此即使PCR 结果阳性，也不可能明确检测到的病毒是否具有感染性。此外，PCR 反应一次只能检测一种病毒，但水中有许多不同类型的病毒。运用这类方法来检测SARS-CoV-2，又会出现新的问题，即使用核酸分析，也只是检测到了所有存在的病毒的遗传物质，而没有区分感染性颗粒和非感染性颗粒[14]。此外有实验表示，在几种现有检测方法中，系统发育微阵列可快速检测多种病原体（包括人类肠道病毒）而无需培养环境样品[15]。该技术可能对于检测废水中出现的新病原体有用，并且可能是检测水样中SARSCoV-2的候选方法。

目前，广泛用于指导传染病的流行病学监测工作的工具是废水监测和基于废水的流行病学（WBE）监测。现今的无症状感染者导致病毒的追踪难度上升，为了控制COVID-19 的传播，必须进行有效的病毒检测以及采取适当的预防措施。

基于在原废水、初级污泥和河水中监测到SARS-CoV-2[1,2]，利用WBE就可以预先发现病毒而不必等感染者真正有了发热等反应，或是耗费大量资源将检测普及到每个人再来进行预防控制工作。考虑到废水样本和感染粪便样本中病毒RNA 的copy 总数的质量平衡是WBE的核心，因此废水和饮用水中的病毒的检测方法需要具有灵敏、可抵抗假阳性结果并实现完全自动化等特征。另外，所使用的方法必须快速得到结果且价格低廉，但目前还尚未找到同时满足所有特征要求的方法。

4 SARS-CoV-2在污水厂中防治措施

为了进一步降低SARS-CoV-2 带来的风险，污水厂应做好消毒措施。污水处理厂可以考虑在排放前增加最后的消毒步骤（通常称为三级处理），从纯物理方法，如γ射线的电离辐射、紫外线、光动力氧化和热非电离辐射等，到利用纯化学物质，如氯、二氧化氯、臭氧、碘、溴和氯化溴等，这些消毒方法可以有效灭活废水和水中的病毒。虽然有研究表示臭氧和紫外线协同杀灭SARS-CoV 的速度比有效氯快数百倍，而且可杀死对氯消毒剂有高度抵抗力的微生物[16]，但目前运用最为广泛的消毒剂是仍是氯，因为它相对便宜，在低浓度下也可使用，并且如果以足够的剂量施用时会形成残留物持续消毒。它可以以气体或次氯酸盐的形式使用，最常见的是气体形式，即氯气。氯气与水在中性和较低pH值下产生的次氯酸（HOCl）是负责其消毒特性的主要氯形态，它在这些pH 值下具有更大的消毒能力。此外，有研究报道，某些常规工艺（如常规活性污泥工艺，絮凝沉淀和砂滤）可有效去除废水中的病原体[17]。也有实验证明基于颗粒污泥反应器（SBBGR），并通过砂滤技术进一步增强的一种简化处理方案可用于从市政废水中去除污染物和病原体[18]。另有报道指出，污泥的稳定化和无害化处理，如脱水、堆肥、热处理和中温厌氧消化均可有效杀灭病毒，其中热处理是迄今为止病毒失活效率最高的污泥处置方法[19]，利用这一点可以有效处理在污泥中高度富集的SARS-CoV-2。

关于病毒处理方面还有许多新技术。有实验证明基于膜的过滤过程和结合悬浮生长生物的膜生物反应器是实现去除废水中病毒的有效替代方法[20]。但目前看来，该系统主要依靠物理分离，去除率取决于病毒的结构，并且价格过高，需要进行改进。此外，涉及使用微藻类或大型藻类从废水中去除污染物的方法也备受关注[21]。

在疫情期间，为了防止SARS-CoV-2 对环境和人造成危害，特别是污水厂运行期间，气溶胶中携带的病毒逸散后会感染工作人员，因此需要将容易产生较高浓度微生物气溶胶的处理单元（污水提升泵房、格栅间、沉砂池、生物曝气池、污泥浓缩池和污泥脱水间等）尽可能采用自动化管理方式，人员远程监控和避免直接接触。同时，封闭处理单元（污水提升泵房、格栅间、污泥脱水间等）应安装强制通风设备，在容易发生污水飞溅的设备（如格栅、砂水分离器、脱水机等）前增加防护罩[22]。废水灌溉方面也需要重新考虑，在确定处理后的废水中不会残留SARS-CoV-2后再做进一步打算，并且要避免新鲜蔬菜直接接触到废水，防止病毒残留。