CEJ:西安理工赵亚乾组冠状病毒在水中传播特征、可能遏制策略与研究挑战

杂志:Chemical Engineering Journal [IF: 10.652]
第一作者:嵇斌
通讯作者:赵亚乾
通讯单位:西安理工大学

论文DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127522

图文摘要

成果简介

近日,西安理工大学水利水电学院赵亚乾教授团队与西班牙、法国等大学团队合作在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为 “Where dowe stand to oversee the coronaviruses in aqueous and aerosol environment? Characteristics of transmission and possible curb strategies”的综述论文,通过总结已发表文献(含预印本)、新闻通讯和科学网站等关于SARS-CoV-2可能的环境传播研究,旨在全面介绍冠状病毒在水、污泥和气溶胶环境中的传播特性,尤其是在水和废水环境中的传播特征,进而揭示可能的遏制策略。

全文速览

新型严重急性呼吸综合症冠状病毒(SARS-CoV-2)具有强传播性,已累计超过7000万人感染,在222个国家和地区造成170万以上患者死亡。尽管SARS-CoV-2的主要传播途径是通过呼吸道飞沫和直接接触,但水和废水、气溶胶也是重要的潜在传播途径。尽管尚无直接证据佐证在COVID-19爆发期间存在粪-口传播和空气传播,但SARS-CoV-2在水和气溶胶中的检出和可感染性证明了病毒传播的风险。在城市和农村的水循环、封闭及半封闭场所都存在病毒传播的风险和隐患。改进和消除这些隐患可进一步遏制病毒的传播及其引发的持续大流行。本文总结了有关SARS-CoV-2可能的环境传播方式方面的最新研究,详细讨论了其在水和废水、气溶胶中传播的可能性、生存特性以及SARS-CoV-2的灭活方式。同时,本文探讨了在类似大流行疫情中水和废水处理的挑战和潜在的研究方向和研究进展。

引言

在过去的二十年中,冠状病毒已引起三次大规模疫情。水、空气、土壤是可能冠状病毒传播的重要媒介。在原污水及二级处理后的出水中,甚至用于城市灌溉的非饮用水中都检出SARS-CoV-2的RNA。新冠病毒感染者的粪便和尿液中也检测到了具有传染性的冠状病毒。另一方面,越来越多的证据表明SARS-CoV-2可以在气溶胶中存活。因此,除了呼吸道飞沫和直接接触之外,环境中冠状病毒的存在引起人们对其它可能的传播途径高度关注。图1 是本文论述框架结构图。

图1 本文论述框架

图文导读

新冠病毒感染者可能含有SARS-CoV-2的粪便、尿液、唾液和各种呼吸道分泌物,都有可能将以各种途径进入环境中,尤其是城市水环境中。图2 归纳了世界各地水环境中对SARS-CoV-2 RNA的检出报道。

图2 世界各地水和废水中检出SARS-CoV-2报道

含冠状病毒的废物/废水可由多种途径进入水环境,进而危害公共健康(图3)。可能的途径有:1)废水的收集和处理不充分;2)未经处理的污水直排进入水体;3)使用被污染了的水源。同样,破损的污水管网也是潜在的污染途径。与城市的集中式水处理系统不同,欠发达地区的大部分农村的供排水模式为分散式供排水,且未经处理。农业和畜牧业是潜在病毒的主要来源,已有猫、狗和貂等动物被冠状病毒感染的报道。

图3 水和废水中冠状病毒在城市(a)和农村(b)的传播途径

水环境中冠状病毒的生存特性与废水特性(水温、pH、有机物、悬浮物等)密切相关。目前,关于冠状病毒在水和废水中的生存特性研究较为有限。SARS-CoV-2可以在室温下于pH 3-10保持稳定。同时,SARS-CoV-2在室温(20 °C)下的废水和自来水可存活数天(1.6天以上),而在50 °C和70 °C的水环境下,其将在数分钟失活。因此高温可使冠状病毒迅速失活。冠状病毒在低温存活能力强,在冬季需要特别注意,以防止“第二波”疫情爆发。

常规废水处理工艺(活性污泥工艺)可有效去除SARS-CoV-2。利用活性污泥法去除病毒的机制主要为污泥的吸附和沉淀池的沉淀分离。而病毒失活主要依靠消毒工艺和化学氧化剂。紫外线可破坏病毒基因组和蛋白,化学氧化剂可破坏包膜结构,建议采用紫外线和化学氧化消毒联合的方法以更高效地灭活冠状病毒。

饮用水处理过程中,絮凝、沉淀和过滤均可在一定程度上去除病毒。氯消毒是一种常见的饮用水消毒方法。WHO建议在pH <8.0的条件下接触至少30分钟后,使游离氯≥0.5 mg L-1。虽然强氧化剂(例如臭氧和氯)可以有效地灭活污泥中病毒,但是处理成本较高并可能产生致癌物。而石灰稳定法是一种经济可靠的方法,但污泥量的增加不可小觑,所以在处理医院和集中式医疗中心的废水过程中产生的污泥必须严格按照危险废物规定进行处置。同时值得注意的是,处理饮用水、废水和污泥的水务工人面临直接暴露的风险。这些风险不仅来自可能涉及病毒或病毒RNA的水和/或污泥,还来自于污水中气溶胶的逸出。

图4 冠状病毒在气溶胶中的传播途径概述(a)和可能的预防和控制策略(b)

已经在一些相对不通风区域的空气中的气溶胶中检测出SARS-CoV-2 RNA阳性,如医院洗手间、合唱厅、餐厅、健身房等。病毒在空气中的存活取决于多种因素,例如环境温度、风速和方向以及相对湿度。MERS-CoV可在25°C和79%RH的条件下,雾化60 min后仍保持可感染性,而SARS-CoV-2在气溶胶中甚至可维持3小时以上。较高的环境温度将有助于遏制SARS-CoV-2传播,而较低的温度可能会增加其传播。

生态学、环境科学在病毒追踪、传播、健康暴露等方面起着关键作用。迄今为止对新冠状病毒如何在水和废水系统传播的了解甚少,因此迫切需要进一步的研究。多学科的合作将从科学的角度加速与病毒的战斗,以建立科学的控制和预防策略。1、更全面地了解环境介质中病毒的特性及环境行为,有利于制定更加科学的控制策略,提供从医务和水务工作者的人身安全出发的可靠的改进方案;2、完善多环境介质中SARS-CoV-2的定性和定量监测,即在污水管网中选择代表性的采样点,对受感染者粪便和尿液中的活病毒和RNA浓度进行监测,并进一步量化废水样本中的病毒载量以估算人群中的感染数。利用社区范围内的废水监测体系,对社区感染情况进行监测,以此对社区内轻微或无症状的病患进行准确调查;利用排水管道和污水处理厂范围内的采样和监控体系对区域内的冠状病毒的传播方位进行更好更快的估算。3、开发从水和废水中去除SARS-CoV-2的工艺。面对目前持续和未来可能再次发生的大流行疫情,应针对性的开发专一性模块化水媒介病原体处理工艺。同时需要对在传统污水处理中如何减少或避免曝气产生的可能携带病毒的生物气溶胶,作进一步的探究;4、亟需开发具有成本效益的紫外线和化学消毒冠状病毒的分散水处理工艺,应用于不发达偏远地区水处理;5、防范环境次生风险大规模和过度使用的消毒剂、抗病毒和消炎药产生的药物残留和代谢产物最终将排入环境中。对于由此产生的潜在的环境次生风险,需评估其排放造成的生态破坏,并在最大程度上减轻它们的影响。
总结

水和废水、污泥和气溶胶均可能是冠状病毒潜在的传播途径。尽管尚无直接证据证明在COVID-19爆发期间粪便传播,但如果不及时采取相应的预防和控制策略,在城乡水循环下病毒传播的现状将可能进一步恶化。同时应考虑到相关的其他环境风险,为中低收入国家和偏远农村地区,需要针对性的开发含有冠状病毒消毒工艺的分散式水和废水处理设施。而越来越多的证据表明,气溶胶中SARS-CoV-2可能是正在进行的COVID-19大流行的主要原因,因此加强建筑通风系统和个人防护措施对于最大程度地降低风险至关重要。

对病毒传播和生存特征的更全面了解是建立可靠控制策略的基础,快速而精确的病毒监控工具是至关重要的。废水监测应该成为实时追踪社区,甚至公共建筑中疫情演变的战略工具和捕捉病毒进化的强大盟友。将废水中的精确传感器与机器学习策略相结合,将为在某些社区出现症状之前做出预测提供有价值的方案。
作者简介

第一作者:嵇斌,西安理工大学水利水电学院博士生,导师为赵亚乾教授,研究方向为水污染防治。以第一作者在Chemical Engineering Journal、Chemosphere、Ecological Engineering等知名期刊发表SCI论文多篇。联系邮箱:binjiscl@163.com 

通讯作者:赵亚乾, 爱尔兰籍华人,国际水协会(IWA) 会士(Fellow),陕西省“百人计划”特聘教授,甘肃省“飞天学者”讲座教授。2019年加盟西安理工大学任全职特聘教授。苏格兰思特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)博士,英国女王大学(Queen’sUniversity Belfast)博士后。2004—2018年任职爱尔兰都柏林大学土木工程系博士生导师,曾任水环境实验室主任,系副主任。爱尔兰工程师协会(IEI)常务理事, Water Sci. & Technol.等9个国际期刊副主编或编委,57种国际期刊特邀审稿人。“全爱中国环境资源能源协会”(www.icaere.ie )发起人和首任会长。赵亚乾教授是人工湿地研究领域里国际主导型的研究者之一,发表各类英文论文435篇,指导博士后3名,毕业博士生13人。2013年获陕西省人民政府“三秦友谊奖”。2017年3月13日CCTV4“华人世界”栏目报导了赵亚乾教授及其团队的人工湿地研发工作。联系邮箱:yaqian.zhao@ucd.ie

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