基于水动力模型预测医院和社区污水排放对沿海水域诺如病毒污染和抗菌素耐药性传播的影响

推荐：为解决医院和社区污水排放导致沿海水域诺如病毒(NoV)和抗菌素耐药基因(AMR)污染问题，研究人员通过水动力模型模拟了北威尔士地区污水排放路径及病原体扩散规律。研究发现，医院污水贡献了60%的NoV和100%的特定AMR基因负荷，暴雨溢流(CSO)使污染羽流面积扩大10倍。该研究为制定针对性防控策略提供了科学依据，对保障公众健康和生态安全具有重要意义。

　　

随着城市化进程加速，医院和社区污水排放已成为沿海水域病原体污染的重要来源。其中，诺如病毒(Norovirus, NoV)和抗菌素耐药性(Antimicrobial Resistance, AMR)问题尤为突出。NoV是引发急性胃肠炎的主要病原体，通过污水排放进入沿海水域后可导致游泳者感染，或被贝类生物富集后通过食物链传播。AMR基因则可能通过水平基因转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)在环境中扩散，威胁抗生素治疗效果。尽管许多国家要求医院污水预处理后再排放，但在暴雨期间，合流制排水系统溢流(Combined Sewer Overflows, CSOs)仍会将未经处理的污水直接排入自然水体。仅2024年，英格兰和威尔士就发生了56万次未经处理的污水排放事件，持续时间累计达519年。然而，目前对NoV和AMR在沿海水域的传播规律和健康风险仍缺乏系统认知。

为填补这一知识空白，Bangor大学的Thomas W. Clough团队在《Water Research》发表研究，首次将水动力模型应用于预测医院和社区污水对沿海水域NoV和AMR的污染。研究人员以北威尔士海岸为研究对象，该区域具有典型的超潮汐环境(潮差4-8米)、27个指定浴场和2个主要贝类捕捞区，是研究病原体扩散的理想场所。

研究采用了三个关键技术方法：(1)对三家地区医院和相连污水处理厂(WWTPs)进行为期16个月的污水采样，检测NoV GI/GII基因型和17种AMR基因；(2)构建Delft3D水动力-水质耦合模型，整合潮汐、河流流量、盐度和温度等环境参数；(3)设置三种排放情景模拟：仅处理污水、包含CSO排放、以及去除医院污水的CSO排放，评估不同来源的污染贡献。

3.1 季节对NoV和AMR基因最大污染范围的影响

模型显示NoV污染羽流面积可达1314 km²，夏季CSO排放使NoV GI/GII扩散范围分别增加4倍和10倍。医院污水贡献了58%的NoV GI和96%的NoV GII冬季污染负荷。AMR基因中，多药耐药基因qacFH扩散范围最大(357 km²)，bla_VEB等基因则表现出更强的环境耐受性。

3.2 超标概率分析

在Clwyd河口Rhyl浴场，夏季NoV GI超标概率达59%，冬季NoV GII达63%。Dee河口贝类捕捞区夏季NoV GI超标概率高达97%，凸显了娱乐用水和海鲜食用的健康风险。

3.3 超标频率

Rhyl浴场NoV GI/GII年均超标7-7.7天，其中医院污水贡献了12-30%的超标事件。8月观测到的最高NoV GI浓度达2673 gc l^-1，其中5.15%来自医院。

3.4 月度概率

概率密度分析显示，8月NoV GI存在0.17%概率达到289.45 gc l^-1，而消除医院污水后降至274.23 gc l^-1。AMR基因intl1_1在3月可能出现84 gc l^-1的峰值，但去除医院源后浓度可忽略不计。

研究揭示了三个关键发现：首先，医院污水是沿海AMR污染的主要来源，贡献了100%的aadA2_3等耐药基因；其次，CSO事件显著扩大病原体扩散范围，夏季影响尤为突出；第三，现有污水处理工艺对NoV和AMR的去除不完全，冬季平均去除率仅0.82-1.20 log。

这些发现对公共卫生管理具有重要启示：一是需要针对医院污水实施四级处理；二是应建立包含AMR指标的新的水质标准；三是需开发能预测CSO事件的实时预警系统。随着气候变化加剧，预计夏季强降雨和海水温度上升可能进一步影响病原体传播动态，这要求管理部门采取更具前瞻性的防控策略。

该研究的创新性在于首次将PLCT(Processes Library Configuration Tool)框架应用于Delft3D-WAQ模型，实现了对NoV和AMR环境行为的动态模拟。尽管存在使用甲型肝炎病毒作为NoV替代物等局限性，但这项工作为理解沿海病原体传播机制提供了新范式，为制定基于证据的水质管理政策奠定了科学基础。