原水和处理水中病毒组的变异情况：在六家不同的饮用水处理厂进行了一年的跟踪研究

《Environmental Microbiology Reports》：Variations of the Virome in Raw and Treated Water: A One-Year Follow-Up at Six Different Drinking Water Treatment Plants

本研究通过宏基因组测序评估了瑞典六个饮用水处理厂（DWTPs）的源水和处理水中的病毒动态变化，持续一年。发现大部分病毒为小型噬菌体，部分感染植物、无脊椎动物、脊椎动物、哺乳动物及藻类/阿米巴的病毒。处理后水中的病毒数量平均减少1-3个对数级，但仍有残留。研究表明，监测小病毒对确保高污染风险时期的饮用水安全至关重要。

　　本研究聚焦于饮用水处理过程中的病毒群落变化，重点分析了六个位于瑞典不同地区的饮用水处理厂（DWTPs）中原始水源与饮用水样本的病毒组成及其随时间变化的特征。这些处理厂采用了多种不同的处理屏障，包括传统的如混凝、沉淀、不同类型的过滤（如快速砂滤、慢速砂滤、活性炭过滤）以及氯消毒，同时也使用了先进的处理技术，如臭氧、紫外线、纳滤和超滤等。原始水源主要包括地下水、人工地下水以及地表水（湖泊和河流），而这些水源的质量会受到气候变化和极端水文事件的影响。例如，浅水湖泊的水温变化可能影响其pH值和化学成分，而暴雨可能导致地表水被动物粪便或其他污染物污染。

病毒作为细胞内寄生生物，需要宿主进行复制，因此它们广泛存在于各种水源中，包括地表水和地下水。地下水通常具有较高的生物稳定性，病毒含量较少，且受环境变化影响较小。然而，不同病毒在水中的稳定性差异较大，某些病毒（如杯状病毒、腺病毒和小RNA病毒）在水环境中可存活42至61天，从而可能对饮用水安全构成威胁。传统的病毒检测方法主要依赖于细胞培养技术，但这种方法在实际应用中存在一定的局限性，尤其是在检测非培养型病毒时。因此，近年来，高通量宏基因组测序技术（NGS）成为研究水体病毒群落的重要工具，不仅能够发现新的与人类相关的病毒，还能对病毒的种类、数量及分布进行系统分析。

本研究的目的是评估不同处理技术对病毒去除的效果，并分析病毒群落随时间的变化趋势。通过对六个DWTPs进行为期一年的采样，每隔两个月采集一次原始水源和饮用水样本，并利用NGS技术进行病毒序列的检测和分类。研究结果显示，这些处理厂的原始水源中检测到了152种不同的病毒，分属76个病毒科或目。其中，大多数是小型细菌噬菌体，而其他病毒则感染植物、无脊椎动物、脊椎动物、哺乳动物以及感染变形虫或藻类的巨型病毒。值得注意的是，某些病毒在原始水源和饮用水中同时存在，表明它们可能通过处理屏障进入饮用水，尽管数量被减少了1至3个数量级。

研究还对病毒的大小进行了分类，将其分为三类：1至60纳米、61至120纳米以及大于121纳米。病毒的大小在水处理过程中表现出不同的去除效果。小型病毒（1–60纳米）往往难以被去除，因为它们可以通过许多过滤膜。相比之下，超滤膜的孔径为20至40纳米，对于61至120纳米的病毒具有较高的去除效率，而大于121纳米的病毒则更容易被大多数处理屏障清除。这一发现对于饮用水安全监测具有重要意义，特别是在水源易受污染的季节，需要重点关注小型病毒的去除效果。

在处理过程中，病毒的去除效率还受到水源类型的影响。例如，使用超滤技术的Kvarnag?rdens vattenverk处理厂在去除较大病毒方面表现更为出色，而在饮用水中仍能检测到一定数量的小型病毒。这表明，尽管超滤技术在去除较大病毒方面效果显著，但小型病毒仍可能穿透处理屏障。此外，某些处理厂在特定时间段内（如春季和秋季）检测到较高的病毒数量，这可能与水体中的自然循环现象有关，如湖泊的季节性水体交换。这种现象可能与水温变化、光照强度以及营养物质的重新分布有关，从而影响病毒的富集和传播。

研究还发现，某些病毒在处理后的饮用水中仍然存在，尤其是在与原始水源关联密切的处理厂中。例如，在Lov? vattenverk和G?rv?lnverket处理厂中，某些病毒的去除效果并不显著，而其他处理厂则表现出更高的去除率。这一现象可能与处理技术的差异有关，例如，G?rv?lnverket使用了活性炭过滤，而Lov? vattenverk则采用了慢速砂滤。因此，不同的处理工艺可能对病毒的去除效果产生不同的影响。此外，研究还发现，在处理过程中，某些病毒的去除率与季节变化密切相关，例如在春季和秋季，病毒数量显著增加，而在冬季则有所下降。

从病毒的宿主类型来看，研究将病毒分为三类：第一类是可能在处理过程中存在的病毒，第二类是宿主不太可能出现在处理过程中的病毒，第三类是宿主完全不在处理过程中的病毒。这一分类有助于理解病毒在处理过程中的行为，例如，如果病毒的宿主存在于处理系统中，它们可能在处理过程中复制，从而影响病毒去除的准确性。相反，如果病毒的宿主在处理过程中不存在，那么它们可能更倾向于被去除。研究发现，处理后的饮用水中，第一类病毒的相对比例较高，这表明这些病毒可能更易通过处理屏障进入饮用水，而第二类和第三类病毒的去除效果则更为显著。

此外，研究还揭示了病毒群落的季节性变化。在某些处理厂中，病毒数量在春季和秋季达到高峰，而在夏季和冬季则相对较低。这种变化可能与水源的污染源有关，例如，春季和秋季可能由于暴雨和洪水导致地表水受到更多动物粪便或人类排泄物的污染。同时，病毒的去除效果也受到处理厂处理技术的影响，某些处理厂在去除小型病毒方面表现较差，而其他处理厂则更有效。这提示我们在设计和优化处理技术时，需要综合考虑病毒的大小、种类及其在水源中的分布情况。

研究还指出，目前的病毒监测方法主要依赖于定量PCR技术，但由于需要已知病毒基因组信息，这种方法在检测未知病毒时存在局限性。相比之下，宏基因组测序技术能够提供更全面的病毒信息，但也存在一些挑战，例如PCR扩增过程中可能遗漏某些病毒基因组，以及在比对过程中可能出现假阳性结果。因此，本研究通过结合多种数据库（如BLASTn、Kraken2和geNomad）进行分析，以提高病毒识别的准确性。

总体而言，本研究揭示了饮用水处理过程中病毒群落的动态变化及其与处理技术、水源类型和季节性因素之间的关系。研究结果表明，小型病毒在饮用水处理过程中较难被完全去除，因此需要特别关注这些病毒的监测，尤其是在水源易受污染的时期。此外，研究还强调了不同处理技术对病毒去除效果的影响，例如超滤技术在去除较大病毒方面表现更好，而其他处理屏障则更有效于去除小型病毒。这些发现对于优化饮用水处理流程、提高水质安全具有重要意义。未来的研究应进一步探索更精确的病毒检测方法，并结合多种技术手段，以全面评估饮用水处理过程中病毒的去除效率和潜在风险。