病毒在土壤中的存活時間與傳播能力及其影響因素

吳頤杭， 劉奇緣， 楊書慧， 馬 瑾

中國環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012

2020年3月11日，世界衛(wèi)生組織正式宣布新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情為全球大流行. 研究[1-4]表明，呼吸道飛沫和直接接觸是新型冠狀病毒的主要傳播方式，也存在氣溶膠傳播以及糞口傳播的可能. 事實上，病毒作為一種特殊的納米顆粒[5]，也在不斷參與地球化學(xué)循環(huán)過程，因此新型冠狀病毒在環(huán)境介質(zhì)中的存活與傳播應(yīng)引起足夠重視. 目前，關(guān)于病毒在環(huán)境介質(zhì)尤其在土壤中存活與傳播的研究較為鮮見. 在眾多環(huán)境介質(zhì)中，病毒在土壤中的存活與傳播尤為重要. 土壤是微生物的主要棲息地，包括細菌、真菌、古菌、原生動物等，而這些生物均受到各種病毒的侵染，因此土壤成為病毒最主要的分布場所[6]，在病毒傳播過程中的作用不可忽視[7-12].

病毒可通過多種途徑進入土壤，如感染患者和野生動物的糞便、尸體以及被病毒污染的醫(yī)療廢棄物等的不當處理，部分病毒還可存在于患者的唾液、痰液中[13]，因此患者隨地吐痰也可能導(dǎo)致病毒進入土壤. 病毒能以休眠狀態(tài)持久存在于土壤中，而且休眠狀態(tài)下仍具有感染性[14]；此外，土壤中存儲的病毒還可能通過地表徑流或滲透污染地下水造成更廣泛的傳播[15]，人體則可通過口腔攝入、皮膚接觸、呼吸吸入等多種途徑暴露于帶有病毒的土壤和地下水. 事實上，病毒在土壤中的存活與傳播受多種環(huán)境因素的影響，研究并掌握這些規(guī)律能為有效控制病毒環(huán)境傳播提供科學(xué)依據(jù). 該研究選擇了流感病毒、腸道病毒、甲型肝炎病毒和冠狀病毒等典型病毒種類，對其在土壤中的存活與傳播及其主要影響因素進行了系統(tǒng)分析，以期為制定病毒環(huán)境傳播防控對策提供參考.

1 病毒在土壤中的存活與傳播

1.1 流感病毒

流感病毒有四類，分別為甲型、乙型、丙型、丁型，其中甲型流感病毒可感染人類及多種動物，而且許多甲型流感病毒具有人傳人的能力，導(dǎo)致全球范圍的大流行，自16世紀以來全球已發(fā)生過多次甲型流感大流行[16]. 不同流感病毒與宿主結(jié)合的受體不同，人流感病毒可與人類肺和上呼吸道細胞唾液酸α-2,6半乳糖受體結(jié)合，動物流感病毒與鳥類、豬的上皮細胞唾液酸α-2,3半乳糖受體結(jié)合，但動物流感病毒也可與人類下呼吸道中的唾液酸α-2,3半乳糖受體結(jié)合從而使人類患病，如甲型H5N1流感病毒(H5N1)可感染肺泡巨噬細胞從而在人類中廣泛傳播[17]. 流感病毒可通過飛沫傳播，經(jīng)呼吸道感染人體[18]，直接接觸被感染的動物或受污染的環(huán)境也可感染流感病毒[19]. 如人類直接接觸被病毒污染的動物糞便、水體和土壤等則可能感染禽流感病毒[20]. 2009年由甲型H1N1流感病毒引起的疫情在全球213國家流行，造成17 483例患者死亡[21]. H5N1是一種高致病性禽流感病毒，禽類易感且發(fā)病迅速，病死率極高，在一定條件下還可造成人類感染及有限人傳人事件[22]. 據(jù)報道，人類感染H5N1后病死率超過50%[23]. 1997年H5N1在中國香港家禽間暴發(fā)并首次造成人群感染，2003年H5N1在東亞和東南亞再次出現(xiàn)，2005年H5N1從亞洲傳播到歐洲和非洲[24].

部分流感病毒可在土壤中存活較長的時間，如H9亞型禽流感病毒在土壤中的存活時間大于5 d[8]，H5N1在低溫條件下可能在土壤中存在13 d以上[25]. 此外，土壤還可能作為禽流感病毒的傳播介質(zhì)，如使用未經(jīng)處理的家禽糞便做為土壤肥料也可能是人體感染H5N1的一種途徑[26]；Horm等[27]也認為受污染的淤泥和土壤可能是甲型禽流感的貯存器和傳播源；Gutierrea等[11]研究了被H5N1污染土壤傳播病毒的情況，將含有不同濃度病毒的糞便堆放于土壤中，并將土壤放置在飼養(yǎng)雞容器的底部，發(fā)現(xiàn)當雞暴露于含有高濃度病毒的土壤時，雞會感染病毒，并在第4天時全部死亡，進一步證明病毒能在土壤中存活并傳播.

1.2 腸道病毒

腸道病毒包括脊髓灰質(zhì)炎病毒、柯薩奇病毒、?？刹《疽约靶滦湍c道病毒等，屬于RNA病毒. 腸道病毒可引起多種傳染性疾病，如手足口病、脊髓灰質(zhì)炎、急性呼吸道感染以及嚴重的神經(jīng)并發(fā)癥等[28]. 腸道病毒通常在消化道復(fù)制后傳播到其他器官，如腸道病毒71型(EV71)可侵染中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)以及消化系統(tǒng)[29]，其主要傳播方式是糞-口傳播[30]. 由于脊髓灰質(zhì)炎疫苗的研制成功，世界衛(wèi)生組織宣布世界大部分地區(qū)已消滅了脊髓灰質(zhì)炎，但仍需注意非脊髓灰質(zhì)炎腸道病毒可能導(dǎo)致疾病的局部暴發(fā)[31]. 已發(fā)生多起由于腸道病毒傳播導(dǎo)致的疾病暴發(fā)，如由EV71引起的手足口病曾在新加坡暴發(fā)，導(dǎo)致學(xué)校關(guān)閉以防止病毒傳播[32]；2014年，美國大范圍暴發(fā)的嚴重呼吸道疾病也被證明與腸道病毒D68有關(guān)[33].

腸道病毒感染患者的糞便中存在高濃度病毒，每克糞便中腸道病毒數(shù)量可達106個，因而土壤也成為腸道病毒傳播的一種介質(zhì). 研究[34]表明，脊髓灰質(zhì)炎病毒、柯薩奇A型和B型病毒均可以通過土壤進行傳播. 腸道病毒可在土壤中存活很長時間，研究[35]表明腸道病毒在土壤中的存活時間可達2～4個月，被病毒污染的土壤中脊髓灰質(zhì)炎病毒在冬季可存活96 d，在夏季可存活11 d. 當使用經(jīng)氯化消毒處理后的污水進行灌溉時，仍可在距土壤表面1.5 m以下的溝井中檢測到?？刹《?，說明病毒在土壤中具有一定的垂向遷移能力[15]. 此外，土壤中的病毒還可能通過地表徑流傳播，甚至進入地下水. Jean等[36]對中國臺灣一個小村莊暴發(fā)的手足口病開展了研究，發(fā)現(xiàn)造成手足口病暴發(fā)的原因可能是含有腸道病毒的污水滲入土壤，土壤中存儲的病毒在強降雨的條件下遷移到地下水中污染該村莊的井水，最終導(dǎo)致人體感染. 由此可見，腸道病毒存在通過土壤傳播進而危害人體健康的可能性.

1.3 甲型肝炎病毒

甲型肝炎曾在世界多個國家暴發(fā)，據(jù)估計發(fā)展中國家有90%的兒童在6歲前就感染了甲型肝炎[37]. 引起甲型肝炎的是一種屬于小RNA病毒科嗜肝病毒屬的甲型肝炎病毒(HAV). HAV進入人體后通過胃腸道進入肝臟，其在肝臟的復(fù)制會對肝細胞造成損害從而引發(fā)肝炎. HAV通常可在患者的糞便中檢測到，糞-口傳播是其主要傳播方式[15]. 受感染動物的唾液腺、扁桃體和淋巴腺均含有病毒，表明病毒也可通過唾液傳播，而且這些地方的病毒含量是糞便中的數(shù)千倍[37]. 1988年，HAV曾在我國上海市大規(guī)模暴發(fā)，流行高峰期時，每天發(fā)病人數(shù)高達1.9×104人，流行5個月內(nèi)造成30多萬人感染，47人死亡[38].

雖然感染HAV患者的病死率通常小于1%，但這種病毒具有高度傳染性，而且對外界環(huán)境的適應(yīng)能力較強[34]. HAV可以穩(wěn)定存在于60 ℃以下的水中，當水溶液中含高濃度二價陽離子時甚至可以在80 ℃的溫度下穩(wěn)定存在; HAV還可在pH為1～10的極端環(huán)境下穩(wěn)定存在，在糞便中的存活時間超過一個月[37]. HAV也可在土壤中存活較長時間，如在印度穆薩河附近采集的403個土壤樣本中，有19.1%的土壤樣本被HAV污染，而且在37 ℃下土壤中的HAV可存活13周[39]. HAV在紅壤土及海洋底泥中的存活時間可在56 d以上[37]. HAV在土壤中的存活時間高于脊髓灰質(zhì)炎病毒和艾柯病毒，而且其受高溫和土壤微生物活動的影響較小[40]. 由于HAV在土壤中存活時間較長，而且土壤可能是HAV傳播的媒介，因此含病毒的唾液、糞便、污水等一旦進入土壤中，便可能會產(chǎn)生潛在的健康風險. 2005年浙江省蕭山區(qū)瓜瀝鎮(zhèn)東方村先后出現(xiàn)了9例甲型肝炎疑似病例，經(jīng)流行病學(xué)調(diào)查和實驗室檢查，發(fā)現(xiàn)是由于農(nóng)村簡易棚廁污染了較為靜止的地表水，而被病毒污染的地表水再滲透穿過土壤從而擴散污染淺井水所致[35]. 由此可見，土壤在病毒儲存和傳播過程中發(fā)揮著重要作用，被病毒污染的土壤也會危害人體健康，因此需要加大防范力度，防止病毒傳播.

1.4 冠狀病毒

目前已發(fā)現(xiàn)的可以感染人類的冠狀病毒共有7種[41]，其中已經(jīng)引起大流行的主要包括SARS病毒(SARS-Cov)、MERS病毒(MERS-Cov)以及新型冠狀病毒(2019-nCoV). 研究發(fā)現(xiàn)，人體中SARS病毒和新型冠狀病毒的受體均為血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)，SARS病毒進入人體后主要感染有纖毛的支氣管上皮細胞和人肺Ⅱ型上皮細胞從而引起嚴重急性呼吸綜合征[42-44]；而新型冠狀病毒不僅可引起嚴重的呼吸窘迫綜合征和多器官衰竭，還可導(dǎo)致患者的肝功能異常，攻擊人體腎臟[45]. MERS病毒的受體為下呼吸道、胃腸道和腎臟中均存在的二肽基肽酶(DPP4)，MERS病毒也可引起嚴重的非典型肺炎，還可以造成胃腸道細胞損傷，攻擊腎臟造成急性腎衰竭[42]. 可感染人類的冠狀病毒通常是經(jīng)呼吸道傳播引起人體上呼吸道感染，不過有研究發(fā)現(xiàn)SARS病毒可在腸道中進行復(fù)制[46]，存在糞-口傳播的可能[47]. 2002年暴發(fā)的SARS在全球30多個國家蔓延，共有8 000多名確診病例[48]，病死率約為10%[49]. 2012年在中東暴發(fā)的中東急性呼吸綜合癥同樣也是由冠狀病毒引起，不過引發(fā)中東急性呼吸綜合征的MERS病毒是一種更加致命的病毒，感染患者病死率高達32%[50]. 新型冠狀病毒雖致死率不如SARS病毒和MERS病毒，但其具有更高的傳染性.

學(xué)者對冠狀病毒進行了大量的研究. 研究[51-52]發(fā)現(xiàn)，在4 ℃條件下，SARS病毒在廢水中可存活14 d，在糞便或尿液中至少可存在17 d，在血液中大約可存活15 d. 李敬云等[53]發(fā)現(xiàn)，SARS病毒在模擬污染的木片、棉布表面及土壤中大約可以存活6 h；也有研究[54]表明，SARS病毒可在土壤、金屬、塑料、玻璃等表面存活3 d，其存活時間可能與環(huán)境條件有關(guān). 由于傳染性支氣管炎病毒(IBV)與SARS病毒均為冠狀病毒，且與SARS病毒的親緣關(guān)系較近，馬雪姣等[55]研究了IBV在土壤中的運移機理，結(jié)果表明IBV在土柱中存在損失過程，包括不可逆吸附和衰變等，但不包括失活，因此IBV可能存在于土壤中并具有一定的活性. 美國國家過敏和傳染病研究所研究[56]表明，新型冠狀病毒可在塑料表面存活3 d以上. 2013年，Kupferschmidt等[57]研究表明，人類可能通過接觸被蝙蝠糞便污染的土壤或塵土而感染MERS病毒. 由此可見，被病毒污染的土壤也可能是一種潛在危害源.

綜上，有些病毒是可以長時間存在于土壤中，并可能通過各種途徑進入土壤從而使人體暴露于污染環(huán)境中而造成危害. 由此可見，研究病毒在土壤中的存活與傳播對控制病毒傳播具有重要意義.

2 病毒在土壤中吸附與存活的影響因素

病毒進入土壤后，在土壤的傳播過程中，吸附和滅活是去除病毒的主要過程[58]，因此該研究主要探討了影響土壤中病毒吸附與滅活的因素. 研究[59]表明，病毒在土壤中的吸附與滅活易受到多種因素的影響，如土壤微生物、含水量、土壤類型及溫度等.

2.1 土壤微生物

盡管對病毒吸附、滅活行為與土壤性質(zhì)的關(guān)系進行了大量研究，但多數(shù)研究都沒有考慮土壤自身微生物對病毒環(huán)境行為的影響[60]. 然而，Hurst等[61]研究表明，土壤中固有需氧微生物的存在會阻礙脊髓灰質(zhì)炎病毒在壤質(zhì)砂土上的生長，使土壤中病毒的滅活率增加2～3倍. 蔣艷等[62]發(fā)現(xiàn)，微生物影響土壤病毒的存活可能是因為微生物生長過程中的某些代謝產(chǎn)物會影響部分病毒的消亡，細菌影響病毒濃度的機理是細菌生長前期吸附病毒導(dǎo)致病毒濃度降低，而生長后期則可能是由于細胞吸附和胞外分泌物導(dǎo)致病毒死亡. Callan等[63]研究表明，銅綠假單胞菌可以分泌一種蛋白酶和彈性蛋白酶來裂解流感病毒血凝素. 也有研究[64]表明，土壤微生物對病毒的存活沒有顯著影響，這可能是因為微生物對病毒的影響與病毒的類型有關(guān)，而且由于影響微生物生存的環(huán)境參數(shù)較多且相互作用，因此得到的結(jié)論可能不一致.

2.2 土壤含水量

土壤含水量是影響病毒存活的另一重要因素，土壤含水量降低導(dǎo)致病毒失活速度加快[60]. 研究[64]表明，在干燥條件下病毒可在施用污泥的土壤中存活8 d，而潮濕條件下病毒在土壤中的存活時間可達35 d，這可能是因為干燥條件下病毒成分可能發(fā)生解離，核酸發(fā)生降解，因而潮濕厭氧條件更有利于病毒在土壤中的存活. 另有研究[60]發(fā)現(xiàn)，土壤含水量降低時，病毒對固體基質(zhì)的吸附作用增強，這可能是由于在靜電力和范德華力的作用下病毒逐漸靠近固體表面從而進入土壤顆粒周圍較薄的水膜. Yeager等[65]研究表明，干燥土壤會導(dǎo)致柯薩奇病毒和脊髓灰質(zhì)炎病毒快速失活. 針對脊髓灰質(zhì)炎1型病毒的研究[66]發(fā)現(xiàn)，當土壤含水率從5%增至15%時，該病毒的存活時間會縮短，而當土壤含水率超過飽和含水率時，病毒存活時間反而又增加. 因此，土壤含水率對病毒的存活影響機制比較復(fù)雜，這可能是因為土壤對病毒的吸附程度及吸附機理與土壤含水率有關(guān).

2.3 土壤類型

不同類型土壤的黏粒含量、金屬氧化物含量、pH及有機質(zhì)含量等存在差異，而這些因素均會影響病毒在土壤中的環(huán)境行為. 趙炳梓等[67]研究了4種不同土壤對病毒的吸附能力，結(jié)果表明紅黏土、赤紅壤、磚紅壤、紅壤土在沒有其他因素影響下對病毒的吸附能力分別為99.1%、95.71%、70.82%、23.4%，這可能是由于紅黏土的黏粒含量高，而土壤中黏土成分越多，對病毒的吸附力越大. JIN等[68]研究了肝炎病毒在5種黏粒含量不同的土壤中的存活時間，發(fā)現(xiàn)病毒在黏粒含量最高的黏土中存活時間最長. 另有研究[58,69-70]表明，金屬氧化物也會顯著影響病毒的存活和吸附，土壤中金屬氧化物導(dǎo)致病毒失活可能是由于病毒與金屬氧化物之間強烈的吸附反應(yīng)所致，這種吸附反應(yīng)是靜電相互作用的結(jié)果，可能導(dǎo)致病毒解體或傳染性降低甚至喪失傳染性. 土壤pH是影響病毒附著于土壤表面的重要環(huán)境因子，這是因為大部分病毒的蛋白質(zhì)外殼是由可離子化的氨基酸組成的，而土壤pH會顯著影響病毒的離子化程度，進而影響病毒在土壤表面的吸附行為[71]. 研究[72]表明，pH較低有利于病毒的吸附，pH增高可使吸附的病毒釋放出來，如脊髓灰質(zhì)炎病毒在pH為5.5時的吸附量高于pH為7時的吸附量. 土壤有機質(zhì)主要以腐殖酸形式存在，而腐殖酸一般與病毒顆粒一樣帶負電荷，因此會與病毒競爭相同的結(jié)合位點從而降低病毒的吸附[58].

2.4 溫度

溫度是影響病毒在土壤中存活的重要因素，許多研究表明溫度升高會促進病毒的滅活[58]. SARS病毒便是一種受溫度顯著影響的病毒，世界衛(wèi)生組織認為SARS病毒可以在0 ℃時無限期存活，不過在常溫下2 d可以滅活90%的病毒. 柯薩奇A9病毒在30 ℃的滅活率高于在15 ℃的滅活率，溫度升高促進柯薩奇A9病毒的滅活可能是飽和土壤中微生物活性增強的結(jié)果[73]. JIN等[68]研究發(fā)現(xiàn)，在4 ℃飽和土壤中脊髓灰質(zhì)炎病毒可存活180 d，當溫度升至37 ℃時，12 d后病毒就全部死亡. 還有學(xué)者進行了在實際環(huán)境中病毒存活情況的研究. 如Tierney等[74]研究了冬季和夏季種植蔬菜的淤泥改良土壤中脊髓灰質(zhì)炎病毒的存活情況，結(jié)果表明冬季病毒在土壤中的存活期可達96 d，而夏季生存期為11 d；另有研究[75]表明，溫度升高會促進病毒在土壤表面的吸附，這主要是因為病毒蛋白質(zhì)分子表面吸熱伸張或吸附速率隨溫度的升高而增加所致.

目前，關(guān)于環(huán)境因素對病毒在土壤中環(huán)境行為的研究較多，但多數(shù)僅研究單一條件對病毒的影響，而關(guān)于環(huán)境因素共同作用的研究較少[60]. 當環(huán)境因素共同作用時可能會產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響機制，而自然環(huán)境中這些因素往往同時存在，共同影響病毒在土壤中的環(huán)境行為. 因此，還需深入探究多種因素共同作用時對病毒在土壤中存活與傳播的影響.

3 對病毒在土壤中傳播研究的建議

目前，有關(guān)病毒在土壤中存活、傳播及其影響因素的研究仍非常有限，亟需開展相關(guān)研究. 在上述分析的基礎(chǔ)上，提出如下建議： ①系統(tǒng)開展我國土壤病毒的調(diào)查研究，全面掌握重點區(qū)域土壤環(huán)境中存在的病毒種類、數(shù)量、分布特征等; 對一些由病毒引起的重大疾病事件進行專項研究，研究病毒在不同土壤中的遷移特征、機理和消失途徑，明確土壤在不同種類病毒傳播過程中的作用；此外，由于多種病毒均是由動物傳染至人類，需針對重點可能攜帶病毒的野生動物(如蝙蝠)活動區(qū)域開展系統(tǒng)調(diào)查. ②加強病毒特別是新出現(xiàn)病毒在土壤中存活、傳播規(guī)律及影響因素的研究，自然條件下土壤中的病毒存活與傳播易受多種因素影響，需篩選出對病毒影響最大的關(guān)鍵因素，并加強對多種關(guān)鍵因素復(fù)合影響下病毒在土壤中存活與傳播的研究，徹底明晰新型病毒在環(huán)境介質(zhì)中的來源與傳播途徑，為科學(xué)研判和預(yù)測病毒的環(huán)境傳播提供科學(xué)依據(jù). ③已有研究證明，土壤中含有大量病毒，且土壤接觸也是人類及其他動物暴露于病毒的潛在途徑，但對新型冠狀病毒在土壤中的存活及傳播的認識還非常有限，建議系統(tǒng)開展相關(guān)研究.

4 結(jié)論

a) 土壤是各種病毒在自然環(huán)境中的主要賦存場所，也是病毒的天然基因庫；同時，土壤對于病毒的傳播和人體暴露也發(fā)揮著重要作用，人體可能通過多種暴露途徑攝入攜帶病毒的土壤顆粒.

b) 流感病毒、腸道病毒、甲型肝炎病毒及冠狀病毒等均可能在土壤中存活較長時間，而且土壤可能是病毒傳播的一種介質(zhì). 病毒作為一種特殊的生命體，其在土壤中的存活、傳播等生命過程及環(huán)境行為受土壤類型、土壤微生物、以及土壤溫度和濕度等因素影響.

c) 關(guān)于病毒在土壤中存活、傳播及其關(guān)鍵影響因素的研究非常有限，需要系統(tǒng)開展我國土壤中病毒的調(diào)查研究，明晰病毒在土壤中的環(huán)境傳播途徑，為病毒的環(huán)境溯源及風險防控提供科學(xué)依據(jù).