美国公共供水系统中痕量金属暴露与NTM肺部感染风险的地理差异性研究

《Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology》：The risk of NTM pulmonary infection associated with trace metal exposure from public distribution system water in the United States

本研究针对美国非结核分枝杆菌(NTM)肺部感染(NTM PI)发病率上升且存在明显地理差异的公共卫生问题，通过分析美国环境保护署(EPA)第三轮未管制污染物监测(UCMR 3)数据与囊性纤维化(CF)患者登记库及医疗保险(Medicare)数据库，首次在全国层面证实处理后的饮用水系统中钼(Mo)和钒(V)的暴露会显著增加NTM PI风险。研究发现氯胺消毒剂的使用使中西部和南部地区感染风险增加32-39%，并通过广义线性模型(GLMs)揭示金属效应存在显著地域特异性，为通过水质监测预防NTM感染提供了重要科学依据。

　　

在美国，一种名为非结核分枝杆菌（Nontuberculous Mycobacteria，NTM）的细菌正悄然引发越来越多的肺部感染病例。这种水源性肺部感染（NTM Pulmonary Infection，NTM PI）的发病率近年来持续上升，无论是囊性纤维化（Cystic Fibrosis，CF）患者还是普通老年人群都未能幸免，已成为不容忽视的公共卫生问题。更令人困惑的是，这种感染在美国不同地区呈现出明显的"地理偏好"——某些州的发病率远高于其他地区，而这种差异无法仅用宿主因素解释。

科学家们将目光投向了环境因素，特别是饮用水中的微量元素。早在科罗拉多州、夏威夷和俄勒冈州等地的区域性研究中，研究人员就发现自然水源中的钼（Molybdenum，Mo）和钒（Vanadium，V）等痕量金属与NTM PI风险存在关联。但这些金属是否同样存在于经过处理、直接流入千家万户的自来水中？它们是否会通过公共供水系统（Public Water Systems，PWSs）影响人体健康？这些问题一直悬而未解。

为了回答这些关键问题，由美国国家过敏和传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）的Ettie M. Lipner领导的研究团队开展了一项大规模全国性研究，成果发表于《Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology》。研究人员创新性地将美国环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）的饮用水监测数据与两大高危人群——囊性纤维化患者和医疗保险受益人——的健康记录相结合，揭示了公共供水系统中痕量金属暴露与NTM肺部感染风险之间的内在联系。

研究团队运用了多项关键技术方法：从美国EPA第三轮未管制污染物监测（Third Unregulated Contaminant Monitoring Rule，UCMR 3）数据库中获取2013-2015年全国公共供水系统的痕量金属浓度数据；从囊性纤维化基金会患者登记库（Cystic Fibrosis Foundation Patient Registry，CFFPR）和医疗保险与医疗补助服务中心（Centers for Medicare and Medicaid Services，CMS）提取2010-2019年患者数据；使用逻辑回归和负二项广义线性模型（Generalized Linear Models，GLMs）分析金属暴露与感染风险的关联，并控制人口统计学变量、水源类型、气候因素和消毒剂类型等混杂因素。

研究人群特征

研究纳入14,251名CF患者（4,020例NTM病例和10,231例对照）和27,146,753名医疗保险受益人（84,075例NTM病例），覆盖美国各地区的1,467个县（CF分析）和1,721个县（Medicare分析）。表2详细展示了两大人群在不同地区的人口统计学特征，为后续分析奠定了坚实基础。

广义线性模型结果

CF患者分析显示，在南部地区，饮用水中钒浓度每增加一个标准化对数单位，NTM感染风险增加27%（OR=1.27，95% CI：1.05-1.54）；在西部地区，钼浓度每增加一单位，风险增加32%（OR=1.32，95% CI：1.09-1.61）。Medicare人群分析进一步验证了这一发现：中西部地区钒暴露使感染率增加13%（RR=1.13，95% CI：1.02-1.24），西部地区钒和钼分别增加风险10%（RR=1.10）和12%（RR=1.12）。值得注意的是，南部地区铬（Chromium，Cr）表现出保护效应（RR=0.91），而钒与钼存在显著交互作用。

消毒剂类型分析揭示重要发现：使用氯胺（Chloramine）消毒的公共供水系统在中西部地区使Medicare人群感染风险增加32%，南部地区增加39%；CF人群中，南部地区氯胺使用也使风险增加35%。相比之下，氯（Chlorine）和次氯酸盐（Hypochlorite）的影响较小且不一致。

县级NTM感染风险估算

通过模型绘制的风险地图直观展示了NTM感染的地理分布规律。CF患者高风险县主要集中在西部州（加利福尼亚州中部和南部、内华达州南部、亚利桑那州南部和落基山脉各州）以及南部州（佛罗里达州、德克萨斯州、俄克拉荷马州、阿肯色州、路易斯安那州和东海岸地区）。Medicare人群的高风险区域分布相似，但在南部各州更为集中。这种空间分布模式为针对性防控提供了明确目标。

案例研究

研究特别选取了两个典型区域进行深入分析。路易斯安那州密西西比河三角洲附近的高风险县与当地石油精炼厂分布高度重合，这些工业设施可能是钒和钼的人为来源。科罗拉多河流域案例则揭示了跨流域调水对风险分布的影响——亚利桑那州尤马县和内华达州克拉克县（拉斯维加斯）的高风险与科罗拉多河水的引用密切相关，表明水源输送可能改变当地金属暴露格局。

作用机制探讨

研究提出两种可能机制解释观察到的关联。一是钼和钒可能促进供水系统中NTM的生长繁殖。钼作为硝酸还原酶（nitrate reductase）的必需辅因子，帮助NTM利用硝酸盐作为氮源；在钼缺乏时，钒可能替代钼行使类似功能。二是通过饮用水长期暴露于这些金属可能改变宿主对感染的易感性，韩国和意大利的研究分别发现NTM患者血清钼水平和火山地区居民尿钒水平升高，支持了这一假设。

交互效应分析

南部地区Medicare人群中观察到的钼-钒交互作用尤为引人注目。如图5所示，当钼浓度固定于较低水平时，随着钒浓度升高，NTM病例数呈上升趋势；而当钼浓度较高时，钒的效应减弱甚至反转。这一复杂关系提示金属之间存在生物学上的相互影响，可能与NTM代谢途径中金属辅因子的替代使用有关。

本研究首次在全国范围内证实公共供水系统中钼和钒暴露与NTM肺部感染风险存在显著关联，且这种关联具有明确的地域特异性。研究创新性地将饮用水监测数据与真实世界健康数据相结合，为理解NTM感染的地理差异提供了环境暴露视角。尽管存在监测时间与研究期不完全重叠等限制，但通过纳入气候变量、消毒剂类型等多重控制因素，研究结果具有较高的可靠性。

这项研究的现实意义深远。它提示水质监测不应仅限于传统污染物，还应关注钼、钒等痕量金属的潜在健康效应。对于NTM感染高风险地区，优化水处理工艺（如审慎选择消毒剂类型）可能成为有效的预防策略。更重要的是，研究建立的分析框架可扩展应用于其他水源性疾病的研究，为环境流行病学与公共卫生实践的深度融合提供了典范。

未来研究需进一步阐明痕量金属影响NTM感染的具体生物学机制，区分其对细菌特性与宿主免疫的不同作用，并探索建立基于水质参数的NTM感染风险预警系统。随着气候变化和人类活动持续改变水环境化学特征，这类研究对保障饮用水安全与公众健康将愈发重要。