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新型冠狀病毒疫情下飲用水生物安全的分析與對策

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發布日期：2020-08-10 瀏覽次數：4733

摘要：

疫情下，對微生物檢測、研究條件及能力的缺乏暴露了水務行業在病毒檢測方面的短板。通過分析飲用水生物安全對保障公共衛生的重要性，文中明確了微生物指標應作為最重要的水質指標優先控制，提出了在新型冠狀病毒肺炎疫情期間可加測革蘭氏陽性菌腸球菌指標。同時，建議供水行業將飲用水生物安全作為國家安全體系的一部分，采用加強生物安全實驗室建設、深入研究微生物指標和在線監測應用、落實檢測質量控制措施等對策，全面保障飲用水的安全和清潔。

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.

由新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)引起的肺炎(COVID-19)疫情的嚴重程度遠超過2002年由SARS冠狀病毒(SARS-CoV)引發的嚴重急性呼吸綜合征(SARS)疫情[1]。截至2020年4月30日24時,我國(含港澳臺地區)累計確診病例84 385例,死亡病例4 643例[2],COVID-19疫情已蔓延至全球。SARS之后全球疫情不斷:2008年,我國暴發了主要由腸道病毒(EV71)引發的手足口病(HFMD);2009年,甲型H1N1流感病毒從墨西哥傳播至全世界;2012年,MERS冠狀病毒(MERS-CoV)導致中東呼吸綜合征(MERS)蔓延;2013年,埃博拉病毒(EBOV)在非洲造成埃博拉出血熱(EBHF)烈性傳染疫情,同年我國發現人感染高致病性禽流感病毒(H7N9)的散發病例;2014年,諾如病毒(NV)在我國流行導致冬季嘔吐病;2020年伊始,南美暴發了嚴重的登革熱(DF)疫情,導致多國宣布進入緊急衛生狀態。可見,以致病微生物為代表的生物安全已超越了傳統安全范疇,成為一種新型安全威脅,并隨著跨物種感染和跨地域傳播,不斷地在全球肆虐,嚴重威脅國家安全、政治穩定、經濟發展和民眾健康[3]。為此,習近平總書記指出:“為了保護人民健康、保障國家安全和維護國家長治久安,要完善重大疫情防控體制機制,健全國家公共衛生應急管理體系,強調把生物安全納入國家安全體系,系統規劃國家生物安全風險防控和治理體系建設,全面提高國家生物安全治理能力”[4]。

水不僅是一個生態環境問題,也是一個經濟問題、社會問題、政治問題,直接關系到國家的安全[5]。安全的飲用水對健康至關重要,它是一項基本人權,也是用于保護健康的有效政策的一個組成部分[6]。然而,截至2017年,全球仍有數十億人無法獲得安全的飲用水和基本的衛生服務[7]。復旦大學附屬華山醫院傳染科張文宏主任就多次提到,人類社會最大的衛生貢獻,一是疫苗,二是清潔的飲用水[8]。疫苗是人體構筑抵擋病原微生物的免疫盾牌,而安全和清潔的飲用水則阻斷了病原微生物和致病化學物介水傳染的途徑。

因此,我國供水行業應更加重視飲用水的生物安全,特別是可能導致疾病的微生物指標的安全。

1 微生物指標應得到優先控制

在社會的發展過程中(尤其是在工業革命之后),人類不斷破壞環境,制造并產生了大量的“三致物質”(致突變、致癌、致畸),這些物質隨著自然循環和人類活動持續擴散到大氣圈、水圈和土壤圈中,并在生物圈積累。因而,人們將更多的關注聚焦在化學污染物上。針對化學指標的監測也越來越系統化,從重金屬、殺蟲劑、洗滌劑擴展到環境激素、消毒副產物、抗生素、微塑料等,用來檢測水中化學指標的諸如原子熒光分光光度計、電感耦合等離子體質譜儀、連續流動分析儀、液相色譜質譜儀、氣相色譜質譜儀等先進儀器逐漸成為了水質分析實驗室的標準配置。相比之下,我國供水行業對微生物領域的投入卻顯得相形見絀,這既有行業分工不同的原因、也有凈水工藝特點的因素、還有人才隊伍建設等缺憾,但最主要的原因是認識相對不高和重視相對不夠。

與化學污染不同,微生物污染常具有增殖性、次生性和傳染性等特性。微生物的暴發式增殖可導致水質惡化,產生致嗅味物質或毒素,進而產生次生化學污染,介水致病微生物可通過飲用、食用、氣溶膠、接觸等途徑傳播,從而危害人體健康。因此,微生物的控制常常是首要的,并體現在從水源到用戶的多級屏障中。

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、病毒和原生動物(原蟲及蠕蟲);其中,病原菌主要包括大腸埃希氏菌、軍團菌、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[9,10,11,12,13]。凈水工藝中普遍采用消毒(氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯、紫外線、臭氧等)、混凝、沉淀和過濾等技術來保障飲用水的安全和清潔(凈水工藝對病毒的去除效果如表1所示[6]),凈水工藝的提升可促使介水傳染病發病率明顯下降[14]。其中,消毒在安全飲用水供應中具有重要作用,不論是否在疫情期,消毒始終是阻擋致病微生物介水傳播的有效屏障。當然,消毒過程中不可避免地會產生微量的消毒副產物,但只要按照標準要求嚴格控制消毒效果,其風險要遠小于失去消毒屏障后微生物安全失控的風險。

表1 凈水工藝對病毒的去除效果 導出到EXCEL

Tab.1 Effect of Water Purification Processes on Virus Removal

凈水工藝	最小去除率 /LRV	最大去除率 /LRV	備注
河岸滲濾	>2.1	8.3	依賴流動距離、土壤類型、泵送速率、pH和離子強度
傳統澄清	0.1	3.4	依賴混凝條件
石灰軟化	2	4	依靠pH和沉淀時間
高效顆粒過濾	0	3.5	依靠過濾介質和絮凝預處理
慢速砂濾	0.25	4	決定于濾層、顆粒大小、流速、操作條件(主要是溫度和pH)
預涂層過濾	1	1.7	如果有濾餅存在
膜過濾	<1	>6.5	隨膜孔徑大小變化(微濾、超濾、納米過濾、反滲透過濾器),過濾介質和過濾密封的完整性,對化學和生物(生長-通過)降解的抗性
氯消毒	2 (Ct99 2～30 min·mg/L; 0～10 ℃; pH值為7～9)		濁度和氯消耗物質抑制此過程,自由氯×時間為預測有效氯,除了最初的消毒,管網系統中的游離余氯應大于或等于0.2 mg/L
二氧化氯消毒	2 (Ct99 2～30 min·mg/L; 0～10 ℃; pH值為7～9)
臭氧消毒	2 (Ct99 0.006～0.2 min·mg/L)		病毒通常比細菌抗性強
紫外消毒	4 (7～186 mJ/cm2)		高濁度和某些溶解物抑制該過程,有效性取決于劑量,隨強度、暴露時間、紫外線波長變化

3 糞源性指示指標是經典指標

由于微生物種類繁多,直接檢測每一種致病微生物指標有很大難度,考慮到與致病關聯性最大的是水被糞便(人類、哺乳動物或鳥類)污染的可能性,因而普遍通過控制微生物指示指標來監控和防范介水性傳染。和飲用水相關的標準中,《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)共109項指標(微生物指標1項,為糞大腸菌群);《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)常規和非常規指標共106項(微生物指標6項,分別為總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、菌落總數、賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲),附錄中參考指標28項(微生物指標2項,分別為腸球菌和產氣莢膜梭狀芽孢桿菌);上海飲用水地方標準《生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)常規和非常規指標共111項(微生物指標6項,分別為總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、菌落總數、賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲),附錄中參考指標27項(微生物指標3項,分別為腸球菌、產氣莢膜梭狀芽孢桿菌和異養菌平板計數)。在這些指標中,菌落總數指標指示的是水中微生物污染的總體情況,大腸菌群類指標指示的是水被糞便污染的程度。糞源性指示指標在檢測方法、數據傳承和評價效果上有著重要意義,是保障飲用水衛生安全的經典指標。

4 疫情期可加測腸球菌指標

總大腸菌群、糞大腸菌群/耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌為革蘭氏陰性菌,腸球菌則為革蘭氏陽性菌,在地表水中廣泛存在(表2、表3)。腸球菌作為重要的糞源性指示指標,被列入《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)附錄中,作為參考指標。在發生重大疫情時,由于致病微生物存在介水性傳播的可能,為了增強對糞源性污染的指示,建議在檢測大腸菌群類指標的同時加測腸球菌指標,即同時確認針對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的消毒效果。在疫情期間,適當提高對微生物指標的檢測頻率,并采用有助于恢復細菌損傷的靈敏方法和有利于安全防護的方法,提高檢測的準確度和安全性。

表2 水源水中腸球菌含量 導出到EXCEL

Tab.2 Concentration of Enterococci in Source Water

來源	最低	最高	檢測方法	參考文獻
上海黃浦江/[MPN·(10 mL)-2]	60.9	1 553.1	酶底物法	[15]
上海長江/[MPN·(10 mL)-2]	3.0	13.4	酶底物法	[15]
南京長江/[MPN·(10 mL)-2]	80.3	127.3	酶底物法	[16]
南京長江/[CFU·(10 mL)-2)]	14	16	濾膜法
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	濾膜法

表3 地表水(非水源水)中腸球菌含量 導出到EXCEL

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

來源	最低	最高	檢測方法	參考文獻
黃河濼口段/[CFU·(10 mL)-2)]	100	100	濾膜法
大明湖/[CFU·(10 mL)-2)]	100	42 800	濾膜法	[17]
南四湖/[CFU·(10 mL)-2)]	100	100	濾膜法

5 加強飲用水生物安全的對策

5.1 加強生物安全實驗室建設

在生物安全實驗室獲得性感染因素中,微生物占42%、細胞培養占22%、顯微鏡檢查占22%、動物試驗占7%、動物護理占7%[18]。盡管供水行業的微生物指標不多,感染風險不大,但為了應對未來更多微生物指標的檢測需要,一些供水企業和部門已開始重視建設(或改建)P-1、P-2,甚至P-3等級的生物安全實驗室。建設生物安全實驗室的初衷是為了保障試驗人員(包括輔助人員)的安全,防范致病微生物的泄漏。在設計和建設生物安全實驗室時可以重點關注以下幾個方面。(1)空間獨立:化學實驗室與微生物實驗室相互獨立,內部的準備區、潔凈區、操作區和污染區要明確區分,微生物試驗的試驗用水、試劑、儀器器皿也要獨用。(2)線路順暢:人性化的實驗室布局和順暢的樣品傳遞路線有利于試驗操作的便捷性,對潔凈物品、樣品、培養物、污染物的合理放置和有序傳遞有助于降低錯誤操作和交叉污染。(3)有效消毒:滅菌和消毒是防止樣品污染、保障檢測質量的有效方式,更是保護試驗人員自身安全和防范污染物外泄的必要手段。生物安全實驗室一般使用干熱滅菌、灼燒滅菌、高壓蒸汽滅菌、紫外線消毒、臭氧消毒和消毒劑消毒(75%醫用酒精、含氯消毒劑等)等方式,并定期做有效性核查[19]。臭氧作為一種相對綠色環保的消毒方式,對冠狀病毒有較好的殺滅效果[20]。(4)固廢處置:針對廢棄物的管理尤為重要,目前各地已有專門回收化學試驗固廢和微生物試驗固廢的機構,實驗室可以挑選其中具備資質的機構承擔微生物固廢的專業回收、清運和處置[21]。

除了硬件之外,制度的建設也非常關鍵,包括安全操作管理、崗位培訓、績效考評等內容。在針對高校生物類專業師生等人員的調查中(圖1),有近70%沒有接受過系統的生物安全教育培訓,有近50%沒有意識到在病原微生物采樣、使用和處置過程中可能對自己、其他人員和外界環境產生危害[22]。對武漢地區醫務人員手衛生的調查顯示,通過健全手衛生管理制度、完善洗手設施與設備和加強手衛生知識培訓等干預后,手衛生執行率由73.36%提高到85.81%[23]。由此可見,保障實驗室的生物安全不僅僅要依靠硬件,專業技術人員更要樹立強烈的個人生物安全意識,嚴格執行生物安全制度,并將各項措施的細節扎實落實。生物安全意識的培養是一個長期的過程,需要在持續的訓練中養成良好的習慣,以嚴格的考核作為績效依據,并在潛移默化的浸透中成為企業文化。

圖1 我國高校實驗室生物安全管理調查 下載原圖

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

5.2 深入開展微生物領域應用研究

近年來,環境領域檢測方法標準的更新速度不斷加快,供水行業可以多借鑒相關的新方法,開展包括酶底物法、熒光免疫法、生物活性法、基因測序法、流式細胞儀法等的應用。建議在微生物領域開展深入研究的方向如下。(1)經典指標:對大腸菌群類指標的檢測靈敏度和假陰性[24,25,26]的研究。(2)直飲水:更多考慮對消毒抗性強的兩蟲(隱孢子蟲卵囊和賈第鞭毛蟲孢囊)的陽性檢出風險(表4),加強對兩蟲的調查[27,28,29,30,31,32]、控制[33,34]和鑒別[35,36,37]。(3)微生物代謝產物:重點分析放線菌與致嗅味物質的相關性[38]以及藻類毒素的檢測和去除[39]。(4)水源地生態:關注藻類群落更迭對水源水質的影響[40,41,42,43]。

表4 出廠水中兩蟲陽性檢出結果 導出到EXCEL

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

采樣時間	采樣地區	隱孢子蟲卵囊/[個·(10 L)-1]	賈第鞭毛蟲孢囊/[個·(10 L)-1]	參考文獻
2014年豐水期	黑龍江/北京/安徽	0～0.2	0～0.8	[29]
2014年枯水期	黑龍江/北京/安徽	0～1.2	0～0.1	[29]
2014年豐水期	哈爾濱	0.1～0.2	0.1	[30]
2014年枯水期	哈爾濱	0.2～0.6	0.2
2014年豐水期	合肥	0.2	0.8
2014年枯水期	合肥	0.2～1.2	0
2014年豐水期	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]

在線監測不僅可以實時跟蹤水質變化,及時提供監測數據,也避免了疫情期間人員采樣的風險。供水行業在水源地、水廠和管網上已經廣泛應用了大量針對理化指標的在線儀表,但對微生物指標的應用很少。目前,比較成熟的針對微生物的在線監測主要是藻類監測[44],也有利用發光細菌對化學綜合毒性的監測和利用微生物傳感器對常規化學指標的監測[45]。隨著檢測原理的創新、傳感器性能的提升和人工智能技術的應用,供水行業在密切關注相關在線儀表研發進展的同時,可以探討在線監測細菌總數、ATP活性、大腸桿菌等指標的可行性,拓展在線監測在微生物領域的應用,并作為水質信息公開的重要數據[46]。

5.3 落實檢測質量控制措施

我國除部分領先的大型供水企業的實驗室通過了實驗室資質認定或實驗室認可外,部分縣級、鄉鎮級或大型供水企業的下屬水廠實驗室,因未建立認證認可的管理體系、微生物質控意識欠缺、硬件條件不足等原因,在微生物檢測方面開展的質控工作存在不足甚至欠缺[47]。微生物檢測的質量控制并非一項額外的、單獨的工作,可以貫穿在日常的準備和檢測操作中。微生物檢測中最大的隱患是污染,無菌操作顯得尤為重要,可以通過環境消毒、器皿滅菌和空白對照試驗來嚴格控制污染來源。一些在化學檢測中使用的質量控制方式如平行樣、加標試驗、質量控制圖也可以應用在微生物檢測上,另需增加陽性對照、陰性對照。由于大量的微生物經典方法以手工操作為主,不同的手勢、速度、幅度、順序會對檢測結果造成很大的影響,通過細化作業指導書、方法比對、人員比對等手段可以減少這些手工操作差異,提高檢測的標準化和準確度。在原始記錄方面,合理的設計和詳細的記錄不僅能規范實驗室的記錄體系,也可為數據溯源提供重要依據。做好微生物檢測的質量控制工作,有利于實驗室生物安全的控制、質量體系文件的完善和人員素質的提升,有事半功倍的效果。

6 結語

飲用水作為人類生存的基本條件,也是保障公共衛生安全的必要條件,飲用水的生物安全貫穿了水源地、原水、水廠、泵站、管網和龍頭等凈化和供應全過程。在國家系統規劃生物安全風險防控治理體系建設和全面提高國家生物安全治理能力的大趨勢下,期待供水行業在現有的基礎上,進一步重視飲用水的生物安全,將微生物指標優先控制,落實保障飲用水生物安全的各項措施和對策,繼續為民眾的身體健康和社會的持續發展保駕護航。

【編輯札記】疫情發生后，編輯采訪了大量國內水務行業的專家，專家們雖然擁有豐富的實戰工作經驗，但對于疫情下病毒與介水傳播之間的關系，多少都有些“拿不準”的謹慎。由于我國水務行業普遍缺少P2以上條件的實驗室，對病毒的研究工作開展不夠深入和直接，無法直接掌握病毒的一手資料數據，在提出相關工作建議時，更多采用的是文獻調研，或者經驗判斷的方法，這也給我們提出了一個新的課題。本次邀請蔣增輝總工，從專業人的角度看檢測能力的提升，望相關建言能夠對推動我國水務行業微生物檢測能力的提升帶來幫助。