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新型冠状病毒疫情下饮用水生物安全的分析与对策

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发布日期：2020-08-10 浏览次数：4480

摘要：

疫情下，对微生物检测、研究条件及能力的缺乏暴露了水务行业在病毒检测方面的短板。通过分析饮用水生物安全对保障公共卫生的重要性，文中明确了微生物指标应作为最重要的水质指标优先控制，提出了在新型冠状病毒肺炎疫情期间可加测革兰氏阳性菌肠球菌指标。同时，建议供水行业将饮用水生物安全作为国家安全体系的一部分，采用加强生物安全实验室建设、深入研究微生物指标和在线监测应用、落实检测质量控制措施等对策，全面保障饮用水的安全和清洁。

Analysis and Countermeasures of Biosafety for Drinking Water under Pandemic Situation of COVID-19

JIANG Zenghui

Shanghai Textile Center for Energy Saving and Environmental Protection Shanghai Textile Architectural Design Research Institute Co., Ltd.

由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的肺炎(COVID-19)疫情的严重程度远超过2002年由SARS冠状病毒(SARS-CoV)引发的严重急性呼吸综合征(SARS)疫情[1]。截至2020年4月30日24时,我国(含港澳台地区)累计确诊病例84 385例,死亡病例4 643例[2],COVID-19疫情已蔓延至全球。SARS之后全球疫情不断:2008年,我国暴发了主要由肠道病毒(EV71)引发的手足口病(HFMD);2009年,甲型H1N1流感病毒从墨西哥传播至全世界;2012年,MERS冠状病毒(MERS-CoV)导致中东呼吸综合征(MERS)蔓延;2013年,埃博拉病毒(EBOV)在非洲造成埃博拉出血热(EBHF)烈性传染疫情,同年我国发现人感染高致病性禽流感病毒(H7N9)的散发病例;2014年,诺如病毒(NV)在我国流行导致冬季呕吐病;2020年伊始,南美暴发了严重的登革热(DF)疫情,导致多国宣布进入紧急卫生状态。可见,以致病微生物为代表的生物安全已超越了传统安全范畴,成为一种新型安全威胁,并随着跨物种感染和跨地域传播,不断地在全球肆虐,严重威胁国家安全、政治稳定、经济发展和民众健康[3]。为此,习近平总书记指出:“为了保护人民健康、保障国家安全和维护国家长治久安,要完善重大疫情防控体制机制,健全国家公共卫生应急管理体系,强调把生物安全纳入国家安全体系,系统规划国家生物安全风险防控和治理体系建设,全面提高国家生物安全治理能力”[4]。

水不仅是一个生态环境问题,也是一个经济问题、社会问题、政治问题,直接关系到国家的安全[5]。安全的饮用水对健康至关重要,它是一项基本人权,也是用于保护健康的有效政策的一个组成部分[6]。然而,截至2017年,全球仍有数十亿人无法获得安全的饮用水和基本的卫生服务[7]。复旦大学附属华山医院传染科张文宏主任就多次提到,人类社会最大的卫生贡献,一是疫苗,二是清洁的饮用水[8]。疫苗是人体构筑抵挡病原微生物的免疫盾牌,而安全和清洁的饮用水则阻断了病原微生物和致病化学物介水传染的途径。

因此,我国供水行业应更加重视饮用水的生物安全,特别是可能导致疾病的微生物指标的安全。

1 微生物指标应得到优先控制

在社会的发展过程中(尤其是在工业革命之后),人类不断破坏环境,制造并产生了大量的“三致物质”(致突变、致癌、致畸),这些物质随着自然循环和人类活动持续扩散到大气圈、水圈和土壤圈中,并在生物圈积累。因而,人们将更多的关注聚焦在化学污染物上。针对化学指标的监测也越来越系统化,从重金属、杀虫剂、洗涤剂扩展到环境激素、消毒副产物、抗生素、微塑料等,用来检测水中化学指标的诸如原子荧光分光光度计、电感耦合等离子体质谱仪、连续流动分析仪、液相色谱质谱仪、气相色谱质谱仪等先进仪器逐渐成为了水质分析实验室的标准配置。相比之下,我国供水行业对微生物领域的投入却显得相形见绌,这既有行业分工不同的原因、也有净水工艺特点的因素、还有人才队伍建设等缺憾,但最主要的原因是认识相对不高和重视相对不够。

与化学污染不同,微生物污染常具有增殖性、次生性和传染性等特性。微生物的暴发式增殖可导致水质恶化,产生致嗅味物质或毒素,进而产生次生化学污染,介水致病微生物可通过饮用、食用、气溶胶、接触等途径传播,从而危害人体健康。因此,微生物的控制常常是首要的,并体现在从水源到用户的多级屏障中。

2 消毒具有不可置疑的重要作用

水中病原微生物主要包括病原菌、病毒和原生动物(原虫及蠕虫);其中,病原菌主要包括大肠埃希氏菌、军团菌、伤寒杆菌、霍乱弧菌等;病毒主要包括肠道病毒、腺病毒、甲型肝炎病毒、诺如病毒、轮状病毒等;原生动物主要包括隐孢子虫、贾第鞭毛虫、痢疾阿米巴虫、麦地那龙线虫、血吸虫等[9,10,11,12,13]。净水工艺中普遍采用消毒(氯气、次氯酸钠、二氧化氯、紫外线、臭氧等)、混凝、沉淀和过滤等技术来保障饮用水的安全和清洁(净水工艺对病毒的去除效果如表1所示[6]),净水工艺的提升可促使介水传染病发病率明显下降[14]。其中,消毒在安全饮用水供应中具有重要作用,不论是否在疫情期,消毒始终是阻挡致病微生物介水传播的有效屏障。当然,消毒过程中不可避免地会产生微量的消毒副产物,但只要按照标准要求严格控制消毒效果,其风险要远小于失去消毒屏障后微生物安全失控的风险。

表1 净水工艺对病毒的去除效果 导出到EXCEL

Tab.1 Effect of Water Purification Processes on Virus Removal

净水工艺	最小去除率 /LRV	最大去除率 /LRV	备注
河岸渗滤	>2.1	8.3	依赖流动距离、土壤类型、泵送速率、pH和离子强度
传统澄清	0.1	3.4	依赖混凝条件
石灰软化	2	4	依靠pH和沉淀时间
高效颗粒过滤	0	3.5	依靠过滤介质和絮凝预处理
慢速砂滤	0.25	4	决定于滤层、颗粒大小、流速、操作条件(主要是温度和pH)
预涂层过滤	1	1.7	如果有滤饼存在
膜过滤	<1	>6.5	随膜孔径大小变化(微滤、超滤、纳米过滤、反渗透过滤器),过滤介质和过滤密封的完整性,对化学和生物(生长-通过)降解的抗性
氯消毒	2 (Ct99 2～30 min·mg/L; 0～10 ℃; pH值为7～9)		浊度和氯消耗物质抑制此过程,自由氯×时间为预测有效氯,除了最初的消毒,管网系统中的游离余氯应大于或等于0.2 mg/L
二氧化氯消毒	2 (Ct99 2～30 min·mg/L; 0～10 ℃; pH值为7～9)
臭氧消毒	2 (Ct99 0.006～0.2 min·mg/L)		病毒通常比细菌抗性强
紫外消毒	4 (7～186 mJ/cm2)		高浊度和某些溶解物抑制该过程,有效性取决于剂量,随强度、暴露时间、紫外线波长变化

3 粪源性指示指标是经典指标

由于微生物种类繁多,直接检测每一种致病微生物指标有很大难度,考虑到与致病关联性最大的是水被粪便(人类、哺乳动物或鸟类)污染的可能性,因而普遍通过控制微生物指示指标来监控和防范介水性传染。和饮用水相关的标准中,《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)共109项指标(微生物指标1项,为粪大肠菌群);《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)常规和非常规指标共106项(微生物指标6项,分别为总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、菌落总数、贾第鞭毛虫和隐孢子虫),附录中参考指标28项(微生物指标2项,分别为肠球菌和产气荚膜梭状芽孢杆菌);上海饮用水地方标准《生活饮用水水质标准》(DB31/T 1091—2018)常规和非常规指标共111项(微生物指标6项,分别为总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、菌落总数、贾第鞭毛虫和隐孢子虫),附录中参考指标27项(微生物指标3项,分别为肠球菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌和异养菌平板计数)。在这些指标中,菌落总数指标指示的是水中微生物污染的总体情况,大肠菌群类指标指示的是水被粪便污染的程度。粪源性指示指标在检测方法、数据传承和评价效果上有着重要意义,是保障饮用水卫生安全的经典指标。

4 疫情期可加测肠球菌指标

总大肠菌群、粪大肠菌群/耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌为革兰氏阴性菌,肠球菌则为革兰氏阳性菌,在地表水中广泛存在(表2、表3)。肠球菌作为重要的粪源性指示指标,被列入《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)附录中,作为参考指标。在发生重大疫情时,由于致病微生物存在介水性传播的可能,为了增强对粪源性污染的指示,建议在检测大肠菌群类指标的同时加测肠球菌指标,即同时确认针对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的消毒效果。在疫情期间,适当提高对微生物指标的检测频率,并采用有助于恢复细菌损伤的灵敏方法和有利于安全防护的方法,提高检测的准确度和安全性。

表2 水源水中肠球菌含量 导出到EXCEL

Tab.2 Concentration of Enterococci in Source Water

来源	最低	最高	检测方法	参考文献
上海黄浦江/[MPN·(10 mL)-2]	60.9	1 553.1	酶底物法	[15]
上海长江/[MPN·(10 mL)-2]	3.0	13.4	酶底物法	[15]
南京长江/[MPN·(10 mL)-2]	80.3	127.3	酶底物法	[16]
南京长江/[CFU·(10 mL)-2)]	14	16	滤膜法
南京固城湖/[MPN·(10 mL)-2)]	225.9	302.6	酶底物法
南京固城湖/[CFU·(10 mL)-2)]	121	271	滤膜法

表3 地表水(非水源水)中肠球菌含量 导出到EXCEL

Tab.3 Concentration of Enterococci in Surface Water (not Source Water)

来源	最低	最高	检测方法	参考文献
黄河泺口段/[CFU·(10 mL)-2)]	100	100	滤膜法
大明湖/[CFU·(10 mL)-2)]	100	42 800	滤膜法	[17]
南四湖/[CFU·(10 mL)-2)]	100	100	滤膜法

5 加强饮用水生物安全的对策

5.1 加强生物安全实验室建设

在生物安全实验室获得性感染因素中,微生物占42%、细胞培养占22%、显微镜检查占22%、动物试验占7%、动物护理占7%[18]。尽管供水行业的微生物指标不多,感染风险不大,但为了应对未来更多微生物指标的检测需要,一些供水企业和部门已开始重视建设(或改建)P-1、P-2,甚至P-3等级的生物安全实验室。建设生物安全实验室的初衷是为了保障试验人员(包括辅助人员)的安全,防范致病微生物的泄漏。在设计和建设生物安全实验室时可以重点关注以下几个方面。(1)空间独立:化学实验室与微生物实验室相互独立,内部的准备区、洁净区、操作区和污染区要明确区分,微生物试验的试验用水、试剂、仪器器皿也要独用。(2)线路顺畅:人性化的实验室布局和顺畅的样品传递路线有利于试验操作的便捷性,对洁净物品、样品、培养物、污染物的合理放置和有序传递有助于降低错误操作和交叉污染。(3)有效消毒:灭菌和消毒是防止样品污染、保障检测质量的有效方式,更是保护试验人员自身安全和防范污染物外泄的必要手段。生物安全实验室一般使用干热灭菌、灼烧灭菌、高压蒸汽灭菌、紫外线消毒、臭氧消毒和消毒剂消毒(75%医用酒精、含氯消毒剂等)等方式,并定期做有效性核查[19]。臭氧作为一种相对绿色环保的消毒方式,对冠状病毒有较好的杀灭效果[20]。(4)固废处置:针对废弃物的管理尤为重要,目前各地已有专门回收化学试验固废和微生物试验固废的机构,实验室可以挑选其中具备资质的机构承担微生物固废的专业回收、清运和处置[21]。

除了硬件之外,制度的建设也非常关键,包括安全操作管理、岗位培训、绩效考评等内容。在针对高校生物类专业师生等人员的调查中(图1),有近70%没有接受过系统的生物安全教育培训,有近50%没有意识到在病原微生物采样、使用和处置过程中可能对自己、其他人员和外界环境产生危害[22]。对武汉地区医务人员手卫生的调查显示,通过健全手卫生管理制度、完善洗手设施与设备和加强手卫生知识培训等干预后,手卫生执行率由73.36%提高到85.81%[23]。由此可见,保障实验室的生物安全不仅仅要依靠硬件,专业技术人员更要树立强烈的个人生物安全意识,严格执行生物安全制度,并将各项措施的细节扎实落实。生物安全意识的培养是一个长期的过程,需要在持续的训练中养成良好的习惯,以严格的考核作为绩效依据,并在潜移默化的浸透中成为企业文化。

图1 我国高校实验室生物安全管理调查 下载原图

Fig.1 Investigation of Biosafety Management in Laboratories in Domestic Universities

5.2 深入开展微生物领域应用研究

近年来,环境领域检测方法标准的更新速度不断加快,供水行业可以多借鉴相关的新方法,开展包括酶底物法、荧光免疫法、生物活性法、基因测序法、流式细胞仪法等的应用。建议在微生物领域开展深入研究的方向如下。(1)经典指标:对大肠菌群类指标的检测灵敏度和假阴性[24,25,26]的研究。(2)直饮水:更多考虑对消毒抗性强的两虫(隐孢子虫卵囊和贾第鞭毛虫孢囊)的阳性检出风险(表4),加强对两虫的调查[27,28,29,30,31,32]、控制[33,34]和鉴别[35,36,37]。(3)微生物代谢产物:重点分析放线菌与致嗅味物质的相关性[38]以及藻类毒素的检测和去除[39]。(4)水源地生态:关注藻类群落更迭对水源水质的影响[40,41,42,43]。

表4 出厂水中两虫阳性检出结果 导出到EXCEL

Tab.4 Positive Results of Cryptosporidium and Giardia in Finished Water

采样时间	采样地区	隐孢子虫卵囊/[个·(10 L)-1]	贾第鞭毛虫孢囊/[个·(10 L)-1]	参考文献
2014年丰水期	黑龙江/北京/安徽	0～0.2	0～0.8	[29]
2014年枯水期	黑龙江/北京/安徽	0～1.2	0～0.1	[29]
2014年丰水期	哈尔滨	0.1～0.2	0.1	[30]
2014年枯水期	哈尔滨	0.2～0.6	0.2
2014年丰水期	合肥	0.2	0.8
2014年枯水期	合肥	0.2～1.2	0
2014年丰水期	北京	0.2	0.2～0.4
2014年枯水期	北京	0.2	0
2015年	某市	6	8	[31]
2017年	四川	7	0.5	[32]

在线监测不仅可以实时跟踪水质变化,及时提供监测数据,也避免了疫情期间人员采样的风险。供水行业在水源地、水厂和管网上已经广泛应用了大量针对理化指标的在线仪表,但对微生物指标的应用很少。目前,比较成熟的针对微生物的在线监测主要是藻类监测[44],也有利用发光细菌对化学综合毒性的监测和利用微生物传感器对常规化学指标的监测[45]。随着检测原理的创新、传感器性能的提升和人工智能技术的应用,供水行业在密切关注相关在线仪表研发进展的同时,可以探讨在线监测细菌总数、ATP活性、大肠杆菌等指标的可行性,拓展在线监测在微生物领域的应用,并作为水质信息公开的重要数据[46]。

5.3 落实检测质量控制措施

我国除部分领先的大型供水企业的实验室通过了实验室资质认定或实验室认可外,部分县级、乡镇级或大型供水企业的下属水厂实验室,因未建立认证认可的管理体系、微生物质控意识欠缺、硬件条件不足等原因,在微生物检测方面开展的质控工作存在不足甚至欠缺[47]。微生物检测的质量控制并非一项额外的、单独的工作,可以贯穿在日常的准备和检测操作中。微生物检测中最大的隐患是污染,无菌操作显得尤为重要,可以通过环境消毒、器皿灭菌和空白对照试验来严格控制污染来源。一些在化学检测中使用的质量控制方式如平行样、加标试验、质量控制图也可以应用在微生物检测上,另需增加阳性对照、阴性对照。由于大量的微生物经典方法以手工操作为主,不同的手势、速度、幅度、顺序会对检测结果造成很大的影响,通过细化作业指导书、方法比对、人员比对等手段可以减少这些手工操作差异,提高检测的标准化和准确度。在原始记录方面,合理的设计和详细的记录不仅能规范实验室的记录体系,也可为数据溯源提供重要依据。做好微生物检测的质量控制工作,有利于实验室生物安全的控制、质量体系文件的完善和人员素质的提升,有事半功倍的效果。

6 结语

饮用水作为人类生存的基本条件,也是保障公共卫生安全的必要条件,饮用水的生物安全贯穿了水源地、原水、水厂、泵站、管网和龙头等净化和供应全过程。在国家系统规划生物安全风险防控治理体系建设和全面提高国家生物安全治理能力的大趋势下,期待供水行业在现有的基础上,进一步重视饮用水的生物安全,将微生物指标优先控制,落实保障饮用水生物安全的各项措施和对策,继续为民众的身体健康和社会的持续发展保驾护航。

【编辑札记】疫情发生后，编辑采访了大量国内水务行业的专家，专家们虽然拥有丰富的实战工作经验，但对于疫情下病毒与介水传播之间的关系，多少都有些“拿不准”的谨慎。由于我国水务行业普遍缺少P2以上条件的实验室，对病毒的研究工作开展不够深入和直接，无法直接掌握病毒的一手资料数据，在提出相关工作建议时，更多采用的是文献调研，或者经验判断的方法，这也给我们提出了一个新的课题。本次邀请蒋增辉总工，从专业人的角度看检测能力的提升，望相关建言能够对推动我国水务行业微生物检测能力的提升带来帮助。