用于估算饮用水再生利用处理工艺链中病毒削减的贝叶斯模型及水源性病毒病原体的定量微生物风险评估

《Risk Analysis》：A Bayesian Model for Estimation of Virus Reduction in Potable Reuse Treatment Trains and Quantitative Microbial Risk Assessment of Waterborne Viral Pathogens

　　

理解饮用水再生利用高级处理设施中病毒的出现与削减是保护人类健康并增强可用供水替代方案评估的一项高度优先研究需求。研究目标为：（1）确定15种病毒经高级废水处理后的对数削减值（log reduction values, LRVs）；（2）评估最终废水出水用于饮用水再生利用的适宜性；（3）评估病毒或病毒群作为废水处理效率指示物的适用性。研究人员从三座饮用水再生利用设施获取了七种人类肠道病毒和八种替代病毒的削减数据。采用能够处理未检出数据并识别具有相似LRV病毒群的贝叶斯模型估算LRVs。针对腺病毒、肠道病毒以及诺如病毒GI和GII进行了定量微生物风险评估（quantitative microbial risk assessment, QMRA）。平均总LRVs介于5.4至11 log₁₀之间。四种致病性病毒所需的平均总LRVs介于11.3至13.4 log₁₀之间。通过经典感染性病毒颗粒计数法检出的雄性特异性和体细胞大肠杆菌噬菌体均被推荐作为指示病毒。在致病性病毒中，腺病毒被认定为最有效的病毒削减指示物。在所有设施中，感染风险均高于每人每年10^?4，表明最终出水可能不符合现有安全标准。由于检出的病毒仅有一部分具有感染性，感染风险可能被高估了2–4个log₁₀。然而，所实现的LRVs仍然过低，且鉴于感染性病毒比例的不确定性，为保持安全余量，可以接受对风险的高估。

**论文解读：基于贝叶斯模型的饮用水再生利用处理工艺病毒削减估算与定量微生物风险评估**

**1. 研究背景与问题**

随着全球水资源日益紧缺，将市政废水经高级处理后再生为饮用水（即饮用水再生利用）已成为缓解水资源压力的重要途径。然而，再生水中存在的微生物和化学污染物对公众健康构成潜在威胁，其中肠道病毒由于在未经处理的废水中浓度高、颗粒尺寸小以及对常规水处理技术具有较强抵抗力，成为水再生利用中不可忽视的风险源。美国国家研究委员会（NRC）指出，全面了解饮用水再生利用高级处理设施中病毒的发生规律与削减效果，是保护公众健康并评估替代供水方案可行性的高度优先研究需求。

在监管层面，美国各州对饮用水再生利用的安全标准主要基于对数削减值（log reduction values, LRVs）进行设定，要求将每人每年感染风险控制在10^?4以下。然而，各州所要求的LRVs差异显著，从德克萨斯州的8 log₁₀到加利福尼亚州的12 log₁₀，甚至高达20 log₁₀。这一监管要求上的广泛差异凸显了开展系统性病毒削减研究、为制定协调统一的安全标准提供科学依据的紧迫性。

**2. 研究内容与意义**

本研究依托美国三座采用不同高级处理工艺链的饮用水再生利用设施（设施A、B和D），系统采集各处理阶段的废水样本，对七种人类肠道病毒（腺病毒、爱知病毒、博卡病毒、肠道病毒、诺如病毒GI、诺如病毒GII和呼肠孤病毒）以及八种替代病毒（包括可培养的体细胞和雄性特异性大肠杆菌噬菌体、CRESS病毒（Circular Rep-encoding ssDNA viruses，包括Hudisavirus、WCDV-1、2和3）、胡椒轻斑驳病毒（Pepper Mild Mottle Virus, PMMoV）和人肠道相关噬菌体crAssphage）进行了定量检测。研究旨在：（1）确定15种病毒在各处理工艺中的LRVs；（2）评估最终出水是否适合饮用水再生利用；（3）评估各病毒或病毒群作为废水处理效率指示物的适用性。

该研究发表在《Risk Analysis》期刊。其成果为饮用水再生利用处理工艺的病毒削减效能评估提供了关键数据支撑，并为监管机构制定科学合理的LRV要求和病毒监测策略提供了重要参考依据。

**3. 主要关键技术方法**

本研究的核心方法包括：

（1）**贝叶斯LRV模型**：研究人员开发了一种基于JAGS（Just Another Gibbs Sampler）的贝叶斯模型，该模型能够处理大量未检出数据（即删失数据），并通过混合正态分布将具有相似削减特征的病毒划分为不同组群，从而更稳健地估算单一病毒及病毒群的LRVs。

（2）**病毒定量检测技术**：除大肠杆菌噬菌体采用经典噬菌斑计数法外，其余病毒均采用数字PCR（digital PCR, dPCR）技术进行绝对定量。研究数据来源于三座实际运行的处理设施：设施A采集了14次系列样本（2021年6月至2022年7月），处理工艺包括臭氧化、膜超滤、反渗透和紫外光解；设施B采集了9次样本（2021年4月至2022年6月），为地下储存与回收设施，处理工艺包括三级处理和地下水回灌；设施D仅采集了3次样本（2022年2月、4月和8月），处理工艺包括混凝/过滤/沉淀、臭氧化、生物过滤、颗粒活性炭吸附、紫外消毒及管理含水层回补。

（3）**定量微生物风险评估（QMRA）框架**：基于贝叶斯模型估算的LRVs，结合原废水中致病性病毒浓度分布、病毒检测灵敏度以及饮用水摄入量数据，采用超几何剂量-反应关系模型，通过蒙特卡洛模拟估算每人每年的病毒感染风险。

**4. 研究结果**

**4.1 检测灵敏度与原废水浓度**

通过向三级出水、超滤膜出水、纳滤膜出水和回补地下水中添加已知浓度的科萨奇病毒B5（CV-B5）、人腺病毒4型（HAdV-4）、鼠诺如病毒（MNV）、猪细小病毒（PPV）和呼肠孤病毒T3D，研究人员估算了检测方法的灵敏度（S）。结果显示，不同处理出水类型中的平均灵敏度存在差异：三级出水和纳滤膜出水为50%，超滤膜出水为30%，回补地下水为60%。经灵敏度校正后，三座设施原废水中四种目标病原病毒的浓度均约为10⁴–10⁵基因组拷贝/升（GC/L）。

**4.2 LRV分布与病毒分组**

贝叶斯模型分析表明，在大多数处理步骤中，15种病毒的LRVs可被清晰地划分为两个组群，其中组群2的LRVs在90%–100%的情况下高于组群1。然而，在设施A的紫外出水（A-UVP）和设施D的土壤含水层处理出水（D-MW_SAT）中，两组的区分度较低。各处理步骤的组群平均LRVs介于0.12至3.9 log₁₀之间。在设施A和B的第一步处理中，两种大肠杆菌噬菌体的LRVs比其他大多数病毒高2–4个log₁₀，这可能是由于噬菌斑计数法反映的是感染性丧失（灭活），而dPCR计数的是病毒颗粒内的基因组拷贝。研究还发现，LRV组群与病毒的基因组类型、颗粒大小和等电点之间未观察到明确的关联性。

**4.3 总LRVs**

三座设施中四种目标病原病毒的总LRVs因病毒种类和处理设施而异。以单一病毒LRVs计算，设施A的平均总LRVs范围为5.6至9.2 log₁₀，设施B为5.7至11 log₁₀，设施D为5.4至9.9 log₁₀。基于病毒组群LRVs估算的总LRVs通常低于或接近基于单一病毒LRVs的估算值。以替代病毒作为指示物时，大肠杆菌噬菌体在设施A和B中表现出最高或接近最高的总LRVs（9.0–11 log₁₀），而在设施D中相对较低。

**4.4 感染风险**

基于QMRA框架的评估结果显示，在所有设施中，四种病原病毒每人每年的感染风险分布均高于10^?4的阈值，大部分风险分布介于0.1至1之间。基于不同替代病毒LRVs估算的风险水平存在差异：基于两种大肠杆菌噬菌体LRVs的风险估算在设施A和B中介于10^?4至0.1之间，但在设施D中达到1。

**4.5 所需总LRVs**

为满足每人每年10^?4的感染风险目标（95%保证水平），四种病原病毒在不同设施所需的平均总LRVs介于11.3至13.4 log₁₀之间。而实际达到的平均总LRVs仅为6.0至9.9 log₁₀，总体上仍低于所需水平2.5至5.6 log₁₀，表明现有处理工艺尚不足以确保饮用水的病毒安全性。

**5. 讨论与结论**

研究人员在讨论部分指出，感染风险可能被高估了2–4个log₁₀，主要原因包括：dPCR无法区分感染性与非感染性病毒颗粒、病毒基因组拷贝数与感染性病毒颗粒数之间存在较大比例差异，以及不同检测方法之间的系统性偏差。尽管存在高估的可能，即便在考虑这一修正后，多数情况下的风险仍可能超过安全标准。

基于研究结果，研究人员推荐将雄性特异性和体细胞大肠杆菌噬菌体（通过经典感染性病毒颗粒计数法检测）作为病毒削减的指示病毒，其中雄性特异性噬菌体因对人类粪便污染更具特异性而可能更为优选。在致病性病毒中，腺病毒因其未检出比例最低且感染性高，被认为是最有效的病毒削减指示物。

研究结论明确指出：所开发的贝叶斯LRV模型能够有效处理含有大量未检出数据的病毒削减数据，并通过病毒分组获得更稳健的LRV估算；三座设施中四种病原病毒实现的平均总LRVs（5.4–11 log₁₀）低于所需水平（11.3–13.4 log₁₀）；所有设施的感染风险均高于10^?4每人每年，表明最终出水可能不适合直接饮用水再生利用，即使在考虑2–4 log₁₀风险高估的情况下亦然。此外，较长的样本系列有助于获得更准确的LRV估算。总体而言，本研究为饮用水再生利用处理工艺的病毒削减效能评估提供了系统的数据支持和方法学框架，对完善相关监管标准和保障再生水水质安全具有重要意义。