冠狀病毒在水和廢水中傳播特徵、可能遏制策略與研究挑戰

2021-01-09 全國能源信息平臺

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北極星水處理網訊:成果簡介

近日，西安理工大學水利水電學院趙亞乾教授團隊與西班牙、法國等大學團隊合作在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表了題為 「Where dowe stand to oversee the coronaviruses in aqueous and aerosol environment? Characteristics of transmission and possible curb strategies」的綜述論文，通過總結已發表文獻（含預印本）、新聞通訊和科學網站等關於SARS-CoV-2可能的環境傳播研究，旨在全面介紹冠狀病毒在水、汙泥和氣溶膠環境中的傳播特性，尤其是在水和廢水環境中的傳播特徵，進而揭示可能的遏制策略。

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新型嚴重急性呼吸綜合症冠狀病毒(SARS-CoV-2)具有強傳播性，已累計超過7000萬人感染，在222個國家和地區造成170萬以上患者死亡。儘管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。儘管尚無直接證據佐證在COVID-19爆發期間存在糞-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險。在城市和農村的水循環、封閉及半封閉場所都存在病毒傳播的風險和隱患。改進和消除這些隱患可進一步遏制病毒的傳播及其引發的持續大流行。本文總結了有關SARS-CoV-2可能的環境傳播方式方面的最新研究，詳細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，本文探討了在類似大流行疫情中水和廢水處理的挑戰和潛在的研究方向和研究進展。

引言

在過去的二十年中，冠狀病毒已引起三次大規模疫情。水、空氣、土壤是可能冠狀病毒傳播的重要媒介。在原汙水及二級處理後的出水中，甚至用於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，環境中冠狀病毒的存在引起人們對其它可能的傳播途徑高度關注。圖1 是本文論述框架結構圖。

圖1 本文論述框架

圖文導讀

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入環境中，尤其是城市水環境中。圖2 歸納了世界各地水環境中對SARS-CoV-2 RNA的檢出報導。

圖2 世界各地水和廢水中檢出SARS-CoV-2報導

含冠狀病毒的廢物/廢水可由多種途徑進入水環境，進而危害公共健康（圖3）。可能的途徑有：1）廢水的收集和處理不充分；2）未經處理的汙水直排進入水體；3）使用被汙染了的水源。同樣，破損的汙水管網也是潛在的汙染途徑。與城市的集中式水處理系統不同，欠發達地區的大部分農村的供排水模式為分散式供排水，且未經處理。農業和畜牧業是潛在病毒的主要來源，已有貓、狗和貂等動物被冠狀病毒感染的報導。

圖3 水和廢水中冠狀病毒在城市（a）和農村（b）的傳播途徑

水環境中冠狀病毒的生存特性與廢水特性（水溫、pH、有機物、懸浮物等）密切相關。目前，關於冠狀病毒在水和廢水中的生存特性研究較為有限。SARS-CoV-2可以在室溫下於pH 3-10保持穩定。同時，SARS-CoV-2在室溫（20 °C）下的廢水和自來水可存活數天（1.6天以上），而在50 °C和70 °C的水環境下，其將在數分鐘失活。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，在冬季需要特別注意，以防止「第二波」疫情爆發。

常規廢水處理工藝（活性汙泥工藝）可有效去除SARS-CoV-2。利用活性汙泥法去除病毒的機制主要為汙泥的吸附和沉澱池的沉澱分離。而病毒失活主要依靠消毒工藝和化學氧化劑。紫外線可破壞病毒基因組和蛋白，化學氧化劑可破壞包膜結構，建議採用紫外線和化學氧化消毒聯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、沉澱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分鐘後，使游離氯≥0.5 mg L-1。雖然強氧化劑（例如臭氧和氯）可以有效地滅活汙泥中病毒，但是處理成本較高並可能產生致癌物。而石灰穩定法是一種經濟可靠的方法，但汙泥量的增加不可小覷，所以在處理醫院和集中式醫療中心的廢水過程中產生的汙泥必須嚴格按照危險廢物規定進行處置。同時值得注意的是，處理飲用水、廢水和汙泥的水務工人面臨直接暴露的風險。這些風險不僅來自可能涉及病毒或病毒RNA的水和/或汙泥，還來自於汙水中氣溶膠的逸出。

圖4 冠狀病毒在氣溶膠中的傳播途徑概述（a）和可能的預防和控制策略（b）

已經在一些相對不通風區域的空氣中的氣溶膠中檢測出SARS-CoV-2 RNA陽性，如醫院洗手間、合唱廳、餐廳、健身房等。病毒在空氣中的存活取決於多種因素，例如環境溫度、風速和方向以及相對溼度。MERS-CoV可在25°C和79％RH的條件下，霧化60 min後仍保持可感染性，而SARS-CoV-2在氣溶膠中甚至可維持3小時以上。較高的環境溫度將有助於遏制SARS-CoV-2傳播，而較低的溫度可能會增加其傳播。

生態學、環境科學在病毒追蹤、傳播、健康暴露等方面起著關鍵作用。迄今為止對新冠狀病毒如何在水和廢水系統傳播的了解甚少，因此迫切需要進一步的研究。多學科的合作將從科學的角度加速與病毒的戰鬥，以建立科學的控制和預防策略。1、更全面地了解環境介質中病毒的特性及環境行為，有利於制定更加科學的控制策略，提供從醫務和水務工作者的人身安全出發的可靠的改進方案；2、完善多環境介質中SARS-CoV-2的定性和定量監測，即在汙水管網中選擇代表性的採樣點，對受感染者糞便和尿液中的活病毒和RNA濃度進行監測，並進一步量化廢水樣本中的病毒載量以估算人群中的感染數。利用社區範圍內的廢水監測體系，對社區感染情況進行監測，以此對社區內輕微或無症狀的病患進行準確調查；利用排水管道和汙水處理廠範圍內的採樣和監控體系對區域內的冠狀病毒的傳播方位進行更好更快的估算。3、開發從水和廢水中去除SARS-CoV-2的工藝。面對目前持續和未來可能再次發生的大流行疫情，應針對性的開發專一性模塊化水媒介病原體處理工藝。同時需要對在傳統汙水處理中如何減少或避免曝氣產生的可能攜帶病毒的生物氣溶膠，作進一步的探究；4、亟需開發具有成本效益的紫外線和化學消毒冠狀病毒的分散水處理工藝，應用於不發達偏遠地區水處理；5、防範環境次生風險。大規模和過度使用的消毒劑、抗病毒和消炎藥產生的藥物殘留和代謝產物最終將排入環境中。對於由此產生的潛在的環境次生風險，需評估其排放造成的生態破壞，並在最大程度上減輕它們的影響。

總結

水和廢水、汙泥和氣溶膠均可能是冠狀病毒潛在的傳播途徑。儘管尚無直接證據證明在COVID-19爆發期間糞便傳播，但如果不及時採取相應的預防和控制策略，在城鄉水循環下病毒傳播的現狀將可能進一步惡化。同時應考慮到相關的其他環境風險，為中低收入國家和偏遠農村地區，需要針對性的開發含有冠狀病毒消毒工藝的分散式水和廢水處理設施。而越來越多的證據表明，氣溶膠中SARS-CoV-2可能是正在進行的COVID-19大流行的主要原因，因此加強建築通風系統和個人防護措施對於最大程度地降低風險至關重要。

對病毒傳播和生存特徵的更全面了解是建立可靠控制策略的基礎，快速而精確的病毒監控工具是至關重要的。廢水監測應該成為實時追蹤社區，甚至公共建築中疫情演變的戰略工具和捕捉病毒進化的強大盟友。將廢水中的精確傳感器與機器學習策略相結合，將為在某些社區出現症狀之前做出預測提供有價值的方案。

原標題:西安理工大學趙亞乾團隊CEJ：冠狀病毒在水和廢水中傳播特徵、可能遏制策略與研究挑戰

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