污染环境对禽流感在人类与家禽间传播动力学的建模研究

研究人员针对禽流感病毒通过污染环境传播的关键问题，构建了包含人类-家禽-环境三者的非线性微分方程模型（SEIR），通过计算基本再生数R0和稳定性分析发现：当R0<1时疾病自由平衡点全局稳定，R0>1时地方病平衡点稳定。拉丁超立方抽样（LHS）显示人类和家禽的病毒传播率与R0呈正相关，为禽流感防控提供了理论依据。

　　

禽流感病毒（Avian Influenza Virus, AIV）作为人畜共患病原体，其高致病性毒株如H5N1在坦桑尼亚等发展中国家造成严重经济损失和公共卫生威胁。尽管世界卫生组织（WHO）报告显示2014-2022年间H5N1人类病例死亡率高达59%，但传统研究多聚焦于直接接触传播，忽略了病毒通过环境污染物（如禽类排泄物）的持续传播潜力。这一问题在依赖小型家禽养殖的非洲地区尤为突出，当地生物安全措施薄弱导致环境介质成为病毒传播的"隐形帮凶"。

为破解这一难题，来自尼尔森·曼德拉非洲科学技术研究院（Nelson Mandela African Institution of Science and Technology, NM-AIST）和博茨瓦纳农业与自然资源大学（BUAN）的Serapia Soka团队，在《Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases》发表了创新性研究。研究人员构建了包含六舱室（S_H, I_H, R_H, S_D, I_D, B）的确定性模型，其中B舱室专门量化环境病毒载量。通过下一代矩阵法计算出基本再生数R₀的阈值，并运用拉丁超立方抽样（LHS）结合偏秩相关系数（PRCC）进行全局敏感性分析。

关键技术方法

研究采用非线性常微分方程组建模，通过下一代矩阵技术计算R₀；使用Lyapunov函数证明平衡点稳定性；应用拉丁超立方抽样（LHS）设计参数空间，结合PRCC方法识别关键敏感参数；数值模拟基于坦桑尼亚Morogoro地区流行病学数据。

模型构建与理论分析

系统将人类分为易感（S_H）、感染（I_H）和康复（R_H）三类，家禽分为易感（S_D）和感染（I_D）两类，新增环境病毒浓度（B）舱室。理论证明当R₀=√(β₁Λ₁δ₁/μ₁σ + β₂Λ₂δ₂/μ₂σ)<1时，系统会自发清除病毒。

数值模拟发现

1. 人类群体动态：易感人群数量在疫情爆发11天内骤降70%，随后因免疫力衰减缓慢回升；

2. 家禽传播关键期：病毒排放率δ₂每增加10%，R₀上升23%，显著高于人类排放率δ₁的影响；

3. 环境滞留效应：病毒在环境中半衰期达72小时时，疫情持续时间延长4.8倍。

结论与意义

该研究首次量化了环境污染物在禽流感传播中的放大器作用，揭示家禽排泄物管理比人类防护更能有效降低R₀。为发展中国家制定"环境-家禽-人类"三位一体的防控策略提供了数学模型支撑，特别建议在坦桑尼亚等非洲国家优先实施禽类粪便无害化处理。论文建立的跨物种传播框架，可拓展应用于其他环境媒介传播的人畜共患病研究。