飲用水中病毒的健康危害與控制

高圣華，張 曉，張 嵐

(中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，北京 100050)

2019年12月以來，湖北省武漢市陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多例不明原因肺炎病例，已被證實(shí)為一種新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染的急性呼吸道傳染病。2020年1月20日起，湖北省以外地區(qū)也開始通報確診病例，疫情呈現(xiàn)全國蔓延之勢。自2020年1月23日，各地陸續(xù)啟動重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng)，全力應(yīng)對不斷發(fā)展的疫情?，F(xiàn)有的資料顯示，SARS-CoV-2的感染途徑是以近距離飛沫傳播和接觸傳播等方式為主。但有新的研究發(fā)現(xiàn)，在確診患者的糞便中檢測到了SARS-CoV-2 RNA[1]，并進(jìn)一步從重癥感染患者糞便樣本中分離出活的冠狀病毒[2]，病毒通過糞-口傳播的可能性引發(fā)業(yè)界關(guān)注。

長期實(shí)踐表明，人類和動物糞便是飲用水微生物污染的主要途徑，病原微生物的控制是飲用水安全保障的首要問題。本文結(jié)合飲用水中病毒等微生物的健康危害、飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對病毒等指標(biāo)的控制要求，對飲用水中病毒的去除或滅活方法和效果進(jìn)行了探討，以期為飲用水中病毒等微生物的監(jiān)測和控制提供技術(shù)支持。

1 病毒及其健康危害

病原微生物污染飲用水可導(dǎo)致介水傳染病的發(fā)生，影響公眾健康。因此，各國都把控制飲用水的生物風(fēng)險作為飲用水安全保障工作的重中之重[3-4]。水中病原微生物主要包括病原菌、病毒和原生動物(原蟲及蠕蟲)。病原菌主要包括大腸埃希氏菌、軍團(tuán)菌、傷寒桿菌、霍亂弧菌等；病毒主要包括腸道病毒、腺病毒、甲型肝炎病毒、諾如病毒、輪狀病毒等；原生動物主要包括隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲、痢疾阿米巴蟲、麥地那龍線蟲、血吸蟲等。病原微生物對環(huán)境有一定的抵抗能力，可在自然環(huán)境中存活幾天、幾個月甚至更長時間。病原微生物經(jīng)水傳播進(jìn)入人體，達(dá)到致病劑量時，可導(dǎo)致胃腸炎、腹瀉、痢疾、肝炎、霍亂、傷寒等多種疾病[5-6]。

病毒是一種個體微小，結(jié)構(gòu)簡單，只含一種核酸(DNA或RNA)，必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生，并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型生物。其生物學(xué)性狀主要包括：(1)體形大小多為20～300 nm不等，形態(tài)主要有球形、桿形和蝌蚪形；(2)結(jié)構(gòu)簡單，最簡單的病毒結(jié)構(gòu)由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的遺傳物質(zhì)組成，較復(fù)雜的病毒外邊有包膜(脂質(zhì)和糖蛋白)；(3)每一種病毒只含有一種核酸，即DNA或RNA；(4)缺乏完整的酶系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)，只能利用宿主活細(xì)胞內(nèi)現(xiàn)成的代謝系統(tǒng)合成自身復(fù)制所需的核酸和蛋白質(zhì)成分；(5)病毒進(jìn)入宿主的活細(xì)胞后，借助于宿主細(xì)胞為其提供的原料、能量和酶等必要條件，以自我復(fù)制的方式進(jìn)行增殖；(6)嚴(yán)格的活細(xì)胞內(nèi)寄生，在離體條件下，能以無生命的生物大分子狀態(tài)存在，并保持其侵染活力；(7)有些病毒的核酸還能整合到宿主的基因組中；(8)一般對抗生素不敏感，但對干擾素敏感。介水傳播的病毒能夠感染人的胃腸道，并通過被感染人群的糞便排出體外，帶來水污染風(fēng)險；呼吸道病毒通常經(jīng)飛沫傳播，有些呼吸道病毒也存在于糞便中，帶來潛在的水污染風(fēng)險[5,7]。不同病毒的結(jié)構(gòu)、成分、核酸組成和形態(tài)不盡相同，在環(huán)境介質(zhì)中的存活能力以及對水凈化過程及消毒劑的耐受力也不盡相同。

吳俊等[8]研究指出，江河湖庫、地下水等均可檢出腸道病毒。病毒進(jìn)入水體后不能增殖，因此在水環(huán)境中會隨著時間而減少。病毒在水體中的存活情況受環(huán)境影響，呈現(xiàn)季節(jié)性差異[9]。張靜[10]于2016年對河北省某城鄉(xiāng)供水一體化水廠的64份水樣(水源水26份，生活飲用水38份)進(jìn)行腸道病毒檢測，有1份水源水水樣檢出腸道病毒，陽性率為3.85%(1/26)，濃度為22.8 Copies/L，生活飲用水水樣中未檢出腸道病毒。表1中給出了部分病毒的基本信息、可引發(fā)的疾病、介水傳播過程中的健康影響程度、在供水中的持久性或存在水平以及對氯的耐受性等信息如表1所示[5,11-13]。

冠狀病毒是具有外套膜的單股正鏈RNA病毒，直徑約80～120 nm，在自然界中廣泛存在，可以感染人、豬、貓、犬、鼠、狼、雞、牛、蝙蝠與禽類脊椎動物。近些年發(fā)現(xiàn)的致病性較高的人冠狀病毒包括嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)以及2019年的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)。冠狀病毒通過呼吸道分泌物等方式排出體外，主要通過飛沫傳播和接觸傳播，該病毒引起的感染主要發(fā)生在冬春季[14]。在確診重癥患者糞便中分離出活的冠狀病毒，提示應(yīng)嚴(yán)控與患者相關(guān)的糞便、污水的消毒處理，嚴(yán)防該病毒介水傳播。

2 飲用水標(biāo)準(zhǔn)中病毒指標(biāo)的控制要求

2.1 我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)

我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)為全文強(qiáng)制的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)特別重視對微生物指標(biāo)的控制要求。標(biāo)準(zhǔn)條文中明確指出“生活飲用水中不得含有病原微生物。……生活飲用水應(yīng)經(jīng)消毒處理”；同時，對6項微生物指標(biāo)提出了限值要求，包括總大腸菌群(不得檢出)、大腸埃希氏菌(不得檢出)、耐熱大腸菌群(不得檢出)、菌落總數(shù)≤100 CFU/mL、賈第鞭毛蟲<1 個/(10 L)和隱孢子蟲<1 個/(10 L)；此外，還規(guī)定渾濁度限值為1 NTU(水源與凈水技術(shù)條件受限時為3 NTU)。但該標(biāo)準(zhǔn)中未列入病毒指標(biāo)[15]。

2.2 WHO飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則

2011年WHO出版了《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》第4版，于2017年出版了增補(bǔ)版。準(zhǔn)則中列出了可能的水源性病毒病原體，如表1中前9項，并提及了SARS冠狀病毒，指出雖然部分證據(jù)認(rèn)為SARS冠狀病毒可通過吸入水滴傳播，但該病毒不屬于介水傳播病原微生物，不可能存在于飲用水中。對于包括病毒在內(nèi)的各項微生物指標(biāo)，準(zhǔn)則并未給出明確的指導(dǎo)值，只是從健康影響、感染源、暴露途徑等方面進(jìn)行了闡述；同時，要求做好水源防護(hù)，整合全面的水處理方法和檢測方法，建立多重屏障，防范病毒等微生物污染[5,13]。

表1 部分病毒對人體的健康影響及與供水相關(guān)的特性[5,11-13]Tab.1 Effects of Some Viruses on Human Health and Characteristics of Water Supply Related[5,11-13]

注：a. 健康影響與疾病的發(fā)病率和嚴(yán)重程度相關(guān)，包括與疾病暴發(fā)事件的聯(lián)系；

b. 在20 ℃水中，傳染期的檢測時段(短期為少于一周；中等為一周至一月；長期為一月以上)；

c. 對氯的耐受能力受凈水工藝和操作條件等因素的影響；這里假設(shè)按常規(guī)的劑量和接觸時間進(jìn)行處理，溫度為20 ℃，pH值為7～8時，病原體處于傳染期并游離分布于水中；對氯的耐受能力，低為在小于1min內(nèi)99%滅活，中等為99%滅活所需時間為1～30 min，高為99%滅活所需時間大于30 min

2.3 美國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

美國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)由美國環(huán)保局(USEPA)負(fù)責(zé)制定，分為一級強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和二級推薦性標(biāo)準(zhǔn)。其中，一級標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了病毒(腸道病毒)的最大污染物濃度目標(biāo)值(MCLG)要求為0，最大污染物濃度(MCL)要求為病毒的去除/滅活率不低于99.99%(4 lg)[16-17]。USEPA把渾濁度也列入到微生物指標(biāo)中，限值要求為95%的水樣要達(dá)到0.3 NTU，最大限值為1 NTU。

2.4 其他國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

歐盟和日本的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中未列入病毒指標(biāo)[18-19]。加拿大飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中列入了腸道病毒指標(biāo)，其控制要求和美國一致，即病毒去除/滅活率不低于99.99%[20]。澳大利亞飲用水準(zhǔn)則中將大腸桿菌噬菌體作為飲用水是否受到糞便和(或)病毒污染的指示微生物指標(biāo)，規(guī)定100 mL飲用水中不應(yīng)檢出大腸桿菌噬菌體；同時，準(zhǔn)則中還列出腺病毒、腸道病毒、肝炎病毒、諾如病毒以及輪狀病毒作為參考指標(biāo)，但沒有給出限值[21]。

3 飲用水中病毒的控制

3.1 水凈化過程及化學(xué)消毒對病毒的去除/殺滅效果

飲用水安全保障措施主要包括水源防護(hù)、集中凈化和消毒處理、管網(wǎng)輸送等。顯然，良好的水源是飲用水安全的基礎(chǔ)，水質(zhì)凈化處理是關(guān)鍵過程，尤其是消毒環(huán)節(jié)，是保障飲用水生物安全的重要屏障。

傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝過程為混凝-沉淀-過濾-消毒，這仍是目前我國以地表水為水源的自來水廠的主流水處理工藝。實(shí)踐證明，混凝、沉淀、過濾工藝過程對水體中的病毒可起到一定的去除作用，如表2所示。

由表2可知，混凝、沉淀、過濾等水處理過程對病毒的去除效果受到多種因素的影響，實(shí)踐中可通過控制渾濁度來評估水處理的效果。構(gòu)成渾濁度的物質(zhì)(如細(xì)菌、真菌、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)、藻土等)對水中的病毒具有一定的吸附作用，同時對病毒也有保護(hù)作用，病毒在高濁度水中的存活時間更長[22]。因此，低渾濁度對去除病原體、保證飲用水安全，具有積極而重要的意義，在提高消毒劑消毒效率的同時可降低水中的細(xì)菌、病毒和原蟲等微生物[23]。據(jù)資料顯示，常規(guī)處理工藝對渾濁度的平均去除率約為98.83%[24]。為滿足我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中規(guī)定的末梢水渾濁度不超過1 NTU的控制要求，水廠一般將出廠水的渾濁度控制在0.5 NTU或更低。資料表明，當(dāng)濾后水的渾濁度低于0.3 NTU時，病毒的對數(shù)去除率可達(dá)到2 lg[25-26]。

消毒是殺滅微生物的重要環(huán)節(jié)[27]。在消毒過程中，水廠通過控制CT值(消毒劑剩余濃度和接觸時間的乘積)來實(shí)現(xiàn)對微生物的滅活。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求，飲用水必須經(jīng)過消毒處理，并規(guī)定了氯及游離氯制劑、氯胺、臭氧、二氧化氯等常用化學(xué)消毒方式的使用要求，包括消毒劑的余量控制要求和與水的接觸時間，如表3所示[15]。

表3 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》消毒劑余量和接觸時間相關(guān)要求及CT值Tab.3 Requirements of Disinfectant Residual, Contact Time and CT Value in Sanitary Standards for Drinking Water

病毒對消毒劑的抵抗力受到許多因素的影響，如水溫、pH、消毒劑類型等[8]，即CT值的確定與上述因素密切相關(guān)。WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》等文獻(xiàn)給出了常用消毒劑在不同環(huán)境條件下滅活2 lg的病毒所需CT值[5,28]，如表4所示。由表4可知，除氯胺外，其他消毒劑對病毒均具有較好的殺滅效果。但文獻(xiàn)中除氯胺消毒明確了試驗對象是輪狀病毒外，其他消毒劑的數(shù)據(jù)均未明確試驗對象。

（一）發(fā)病情況 墊江縣某鎮(zhèn)養(yǎng)殖戶飼養(yǎng)了2 000只種鴨，在小河邊(河中的水質(zhì)較差)、樹林中放養(yǎng)，大部份種鴨開始產(chǎn)蛋。10月中下旬陸續(xù)有種鴨發(fā)病，曾用鴨瘟疫苗免疫注射過，用氟哌酸治療，效果不明顯，先后共死亡220只，死亡率為11%；附近農(nóng)戶圈舍飼喂有鵝，雞未發(fā)病。

表4 不同消毒劑對病毒滅活的CT值Tab.4 CT Value of Virus Inactivation by Different Disinfectants

USEPA針對甲型肝炎病毒也給出了不同病毒對數(shù)滅活率和環(huán)境條件下CT值的數(shù)據(jù)[17,29]，如表5所示。

表5 不同消毒劑對甲型肝炎病毒滅活的CT值Tab.5 CT Value of Hepatitis A Virus Inactivation by Different Disinfectants

由表5可知，水溫越高，達(dá)到同樣殺滅效果所需的CT值越小，即溫度是控制病毒殺滅的有利條件。氯胺在甲型肝炎病毒的殺滅效果上不盡如人意，這與WHO提供的信息一致。此外，針對同樣的殺滅效果，USEPA給出的CT值范圍比WHO給出的數(shù)值范圍要窄，總體數(shù)據(jù)偏低(臭氧除外)，分析可能與試驗對象不同有關(guān)。USEPA提供的原始文獻(xiàn)資料中明確試驗對象是甲型肝炎病毒，推測WHO文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)來源于對多種病毒的試驗結(jié)果，而不同的病毒對消毒劑的敏感性會有一定差異，因此WHO給出的范圍比較寬泛。Hoff[30]給出的脊髓灰質(zhì)炎病毒和輪狀病毒在達(dá)到2 lg對數(shù)滅活率情況下各種消毒劑的CT值數(shù)據(jù)說明了同樣的問題，如表6所示。

表6 脊髓灰質(zhì)炎病毒和輪狀病毒2 lg滅活所對應(yīng)的CT值(5 ℃，pH值為 6～7)Tab.6 CT Values for 2 lg Inactivation of 99% Poliovirus and Rotavirus (5 ℃, pH Value of 6～7)

除溫度之外，pH也是消毒效果的重要影響因素。White[31]提供了游離氯制劑在不同溫度和pH條件下對柯薩奇病毒A2型滅活的CT值，如表7所示。由表7可知，在pH值為7.0～9.0時，pH值越低，CT值越小。表7的數(shù)據(jù)同樣表明，水溫是消毒的有利因素，水溫越高，所需的CT值越小。

表7 不同水溫和pH條件下柯薩奇病毒A2型2 lg滅活所對應(yīng)的CT值Tab.7 CT Values for 99% Coxsackievirus A2 2 lg Inactivation under Different Water Temperature and pH Value

冠狀病毒屬于有包膜的親脂類病毒，按照目前人類認(rèn)知的微生物對消毒處理的抗力大小，有包膜的病毒相對容易被消毒劑殺滅[14]。目前，未見針對新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)的消毒劑抵抗力研究。王新為等[32]采用病毒加標(biāo)的方法開展了污水中SARS冠狀病毒的滅活試驗。結(jié)果顯示，SARS冠狀病毒在污水中對消毒劑的抵抗力比大腸桿菌8099和大腸桿菌f2噬菌體都低，污水中游離氯余量在0.4 mg/L以上(水溫為20 ℃，消毒時間為30 min)時，SARS冠狀病毒可被完全滅活。

3.2 物理消毒對病毒的殺滅效果

將水煮沸和紫外線照射是常見的物理消毒方式。WHO資料表明，將水煮沸對病毒可以達(dá)到6 lg以上的殺滅效果[5]。紫外線消毒對大部分病毒也有很好的滅活效果[33]。Hijnen等[34]總結(jié)了紫外線對甲型肝炎病毒和輪狀病毒SA11的滅活效果，如表8所示。由表8可知，水廠和二次供水設(shè)施常用的照射劑量(40 mJ/cm2)對兩種病毒都能達(dá)到4 lg的滅活，但是也有少量病毒對紫外線有較強(qiáng)的抗性，USEPA給出的紫外線對腺病毒的殺滅數(shù)據(jù)表明，40 mJ/cm2的劑量對腺病毒僅能達(dá)到0.5 lg的滅活[17]。

表8 紫外線照射對病毒的對數(shù)滅活率與照射劑量的關(guān)系Tab.8 Relationship between Inactivation Rate of Viruses and Dosage of Ultraviolet Radiation

3.3 膜過濾技術(shù)對病毒的去除效果

近年來，特別是《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)頒布實(shí)施以來，我國規(guī)?；畯S的水處理工藝得到普遍提升，臭氧活性炭等深度處理工藝逐漸增多，膜處理工藝也開始得到應(yīng)用[35]。膜處理技術(shù)是以壓力為推動力的一種膜分離技術(shù)，通過不同孔徑尺寸的膜，將水中微生物、顆粒物甚至是溶解鹽從水中分離出去，基本不需要使用化學(xué)藥劑，產(chǎn)水水質(zhì)相對穩(wěn)定，受進(jìn)水波動影響較小。膜過濾技術(shù)去除微生物的機(jī)理主要有兩種：(1)機(jī)械篩分，通過膜截留比自身孔徑大或與其孔徑相當(dāng)?shù)奈⑸镱w粒；(2)吸附截留，當(dāng)微生物穿過膜表面進(jìn)入膜內(nèi)部時，由于膜自身物理化學(xué)性質(zhì)和靜電引力的影響使它們沉積在膜孔側(cè)壁或膜內(nèi)部基質(zhì)上。被截留的微生物的尺寸原則上應(yīng)大于膜孔徑。根據(jù)孔徑的不同，膜可細(xì)分為反滲透(RO)膜、納濾(NF)膜、超濾(UF)膜和微濾(MF)膜等，其中，微濾膜孔徑最大，反滲透膜孔徑最小，4種膜與相應(yīng)可截留物質(zhì)的關(guān)系如圖1所示[36]。

圖1 不同膜過濾技術(shù)可截留的物質(zhì)Fig.1 Substances Retained by Different Membrane Filtration Technologies

病毒顆粒直徑很小，大多介于0.02～0.30 μm。從孔徑上看，微濾膜不足以去除病毒，但實(shí)際上微濾膜對病毒有一定的去除作用，這通常認(rèn)為是由于膜表面形成的濾餅層的作用，但濾餅層是不穩(wěn)定的，并容易通過反沖洗過程去掉，因此，實(shí)際上微濾并不適用于飲用水中病毒的去除。對于超濾技術(shù)目前仍存在爭議，研究認(rèn)為，超濾對病毒的對數(shù)去除率可達(dá)5～7 lg，但USEPA的資料顯示，美國29個州中只有6個州認(rèn)可超濾對病毒的對數(shù)去除率≥1 lg，其中有4個州認(rèn)可的對數(shù)去除率為4 lg，造成這種差異的主要原因是病毒顆粒太小，擔(dān)心膜出現(xiàn)無法檢測到的很小的完整性漏洞時導(dǎo)致病毒泄露，較多的州更傾向于采用混凝、沉淀、過濾、消毒等組合工藝對病毒進(jìn)行控制[37]；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，超濾膜對病毒的截留遠(yuǎn)高于基于篩分原理的理論截留率，膜對病毒的分離過程不是簡單的篩分過程，膜對病毒的吸附在膜的截留中具有重要地位，因此，超濾膜也有被應(yīng)用于病毒的去除或純化[36-37]。納濾技術(shù)和反滲透技術(shù)能夠有效去除病毒，但因運(yùn)行成本較高等原因，目前在水廠應(yīng)用有限。需要注意的是，膜過濾過程對病毒沒有持續(xù)控制能力，為確保飲用水輸配過程安全有效，水處理過程需要配合消毒工藝的使用。另外，膜破損和膜污染問題也需要引起注意。

4 小結(jié)

(1)病原微生物污染飲用水可導(dǎo)致介水傳染病的發(fā)生，糞便污染是飲用水微生物污染的主要途徑。

(2)傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾等水凈化過程對病毒有一定的去除效果，可通過控制渾濁度來評估水處理的效果，當(dāng)濾后水的渾濁度低于0.3 NTU時，病毒的對數(shù)去除率可達(dá)到2 lg。

(3)化學(xué)消毒是殺滅微生物的重要措施，可通過控制CT值來實(shí)現(xiàn)對微生物的有效滅活。水溫、pH、消毒劑類型、病毒種類等是影響消毒效果的重要因素。

(4)物理消毒方法中，煮沸對病毒有很好的殺滅效果；紫外線對大部分病毒有很好的滅活效果，但對腺病毒，當(dāng)劑量為40 mJ/cm2時僅能達(dá)到0.5 lg的滅活。

(5)微濾不適用于飲用水中病毒的去除，超濾對病毒去除效果的有效性仍有爭議。膜處理過程需要配合消毒工藝以確保飲用水輸配過程的安全。

(6)美國、加拿大等少數(shù)國家的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了病毒的控制要求。我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中雖然沒有規(guī)定病毒指標(biāo)，但提出了生活飲用水應(yīng)經(jīng)消毒處理及對消毒的具體控制要求，同時規(guī)定了渾濁度的限值。水廠應(yīng)首先做好水源防護(hù)，并根據(jù)水源污染特征、環(huán)境條件及水處理工藝等情況，強(qiáng)化對渾濁度的控制，確保消毒措施有效運(yùn)行，加強(qiáng)消毒劑余量和微生物指標(biāo)監(jiān)測以及安全巡查，確保飲用水生物安全。

(7)水廠應(yīng)加強(qiáng)衛(wèi)生管理和傳染病防控，供、管水人員應(yīng)身體健康，禁止患有礙飲用水衛(wèi)生疾病的人員和病原攜帶者直接從事供、管水工作，必要時供、管水人員也應(yīng)做好自身的健康防護(hù)。