《Water》：Public Health Risks Associated with Water Quality in Controlled Environment Agriculture
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受控环境农业（CEA），包括水培、鱼菜共生、气培和温室栽培，正作为在气候变化、城市化及全球粮食需求增长压力下增强粮食安全的策略而迅速扩展。水是生态系统服务、农业生产率、经济韧性和人类健康的基础，但它是一种有限资源，正日益稀缺并易受人为污染导致的退化影响。尽管C
受控环境农业（CEA），包括水培、鱼菜共生、气培和温室栽培，正作为在气候变化、城市化及全球粮食需求增长压力下增强粮食安全的策略而迅速扩展。水是生态系统服务、农业生产率、经济韧性和人类健康的基础，但它是一种有限资源，正日益稀缺并易受人为污染导致的退化影响。尽管CEA大幅减少淡水消耗并实现了全年作物生产，但其对循环水系统的依赖产生了现有公共卫生和监管框架未充分解决的独特食品安全挑战。与传统土壤农业不同，CEA中的水同时充当养分输送、微生物运输和病原体传播的介质，使得在单一点引入的污染物能够迅速扩散至整个生产系统。尽管流行病学证据将叶菜类蔬菜确定为食源性疾病的主要载体，但疫情监测很少区分传统生产与CEA生产的作物，限制了水源性风险的归因。在此，研究人员综合环境微生物学、食品安全、流行病学和农业科学的证据，评估水质作为CEA食品安全的核心决定因素。研究人员识别了监测、微生物风险评估、监测技术和监管监督方面的关键空白，并提出了一个将食品安全与可持续水资源管理相结合的水质管理综合框架。随着CEA成为全球粮食生产日益重要的组成部分，加强水治理和监测对于在实现节水农业可持续性效益的同时保障公共卫生至关重要。
1. 引言
水是全球粮食生产的基础资源，农业用水约占全球用水量的70%，气候变化、城市化和人口增长加剧了水资源压力。受控环境农业（CEA）包括水培、鱼菜共生、气培和温室栽培，其全球垂直农业市场在2022年估值约48亿美元，预计2030年将超过330亿美元。CEA虽可减少土壤传播污染，但循环水系统可能放大局部污染的扩散，同时也会减少野生动物侵入、径流等暴露途径，因此需通过比较研究判断其总体风险变化。在CEA中，水不仅作为输入，更是养分、氧气和微生物循环的介质。闭合或半闭合灌溉系统如深水培养和营养膜技术（NFT）实现高水回用，但若消毒不足可造成病原体累积。研究已在商业系统中检出变形菌门、厚壁菌门等优势菌门，并发现产志贺毒素大肠杆菌（E. coli）可经营养液内化进入植物组织。CEA作物多为生食叶菜，水是最重要的食品安全控制点。微生物危害包括肠道细菌、病毒和原生动物，化学危害包括硝酸盐、重金属、消毒剂和农药残留，生物膜还可成为病原体储库。
2. 水产养殖水质
水产养殖主要通过鱼菜共生与CEA关联。水质决定鱼虾健康，关键参数包括溶解氧、温度、pH、盐度、氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐，但其适宜范围因物种、生命阶段和系统配置而异。鱼菜共生须同时满足养殖动物、硝化微生物和植物的需求，水质管理更具整合性。传统养殖废水若管理不当可导致氨氮积累和富营养化，但在循环及鱼菜共生系统中，废物可被生物过滤和植物吸收转化。监测已从人工测量走向自动传感器系统，但有效性依赖传感器准确性、校准和维护。未来应发展经验证的物种和系统特异性监测框架，并结合实时传感与自动决策支持。
3. 受控环境农业中的水质监测和管理
CEA水质监测需要物理、化学和生物参数的联合检测。实验室分析提供高特异性和广覆盖度，原位传感器则提供连续测量和早期预警，但易受环境干扰和生物污损。新兴传感技术包括光学光谱法、电化学传感器、生物传感器和电化学生物传感器，各有灵敏度、选择性、成本和耐用性方面的权衡。将传感器与无线物联网（IoT）网络和网络物理系统集成，可支持连续数据传输和自动化管理，但模型估计的虚拟传感器（如用于估计E. coli）依赖训练数据质量。实际农场条件下传感器可能发生生物污损、校准漂移和信号干扰。未来研究应从单一传感器实验室评估转向集成多参数监测框架，结合互补技术与定期实验室验证。
4. 其他农业活动中的废水利用
废水在畜禽养殖、水产养殖、鱼菜共生和水培中被用作资源，可提供氮磷养分并减少淡水消耗。处理后的废水用于施肥灌溉，畜禽粪便和废水可转化为生物肥料、生物能源和生物聚合物。水产养殖废水中的溶解养分可在鱼菜共生和水培中实现高养分回收。然而，废水整合引入病原体、重金属、微污染物和抗微生物药物耐药性风险，处理不当可导致污染物沿食物链传播。现有研究多局限于单个生产系统，需要跨系统比较研究评估资源回收和风险。
5. 不同灌溉水源对蔬菜有毒金属积累的影响
灌溉水类型是蔬菜可食组织中有毒金属积累的主要决定因素，未经处理的废水是主要污染源。一项涵盖95项研究的综合分析表明，即使废水符合安全要求，铅、镉、铬、镍和砷在土壤和蔬菜中仍可能超过推荐限值，因此仅靠处理标准不能保证食品安全。叶菜类如菠菜和苋菜比非叶菜吸收更多金属。湿季降雨可稀释污染物并改变金属有效性，但研究结果不一致。总体证据支持灌溉水质、蔬菜种类、季节和金属积累之间的关联，但土壤性质、金属生物有效性、植物特性和处理方法差异导致研究间变异，需进一步开展受控和纵向研究。
6. 水质对农业的影响
水质是灌溉农业生产力的基础。使用盐水灌溉可使作物产量降低约17%，水分效率下降约10%，且盐度越高负效应越明显。高盐度灌溉小麦在三年内降低产量并恶化土壤物理化学性质。受污染河水灌溉的玉米产量较优质水灌溉低25%。劣质水增加土壤盐分、钠积累，降低水分入渗和排水能力，并改变土壤微生物群落、扰乱氮循环。现有知识仍缺乏关于再生水污染物长期影响的研究。
7. 农业用水水质指南
水质指南最初关注盐度、钠含量、pH和电导率，后扩展至微生物和有害化学物质。世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）建议检测大肠杆菌（E. coli）作为粪便污染指示菌。不同国家标准各异，尤以处理废水为甚，且许多法规未涵盖药物、抗生素等新兴污染物。研究者建议根据当地作物、土壤、灌溉方式和气候调整指南。E. coli作为指示菌不能完全反映所有病原体存在与否，中低收入国家缺少法律和执法。未来需确定可衡量的化学、微生物和新兴污染物标准，以支持强制性准则。
8. 与水质量和农业相关的生态风险及缓解措施
农业活动释放过量养分、农药、病原体和其他污染物进入水体，过量养分导致富营养化，降低溶解氧并危害水生生物。劣质水可在CEA内传播病原体并污染鲜农产品。处理废水可能含有药物等污染物并在土壤中积累。缓解措施包括植被缓冲带、覆盖作物、精细施肥等，但其效果依赖当地环境条件，且受成本和管理限制。需要评估现有水质标准是否能充分保护生态系统免受多种污染物联合暴露。
9. 水质参数和污染途径
CEA水质由化学和微生物参数共同决定，主要测量指标包括pH、电导率、温度、溶解氧、氧化还原电位、浊度、硝酸盐和磷酸盐。pH和电导率影响养分吸收和植物胁迫，溶解氧和氧化还原电位影响病原体存活。管道、水箱和灌溉渠道内的生物膜可作为持久微生物储库，使病原体逃避常规监测并间歇释放。污染过程是多因素的：循环营养液快速传播病原体，地面、鞋和设备成为二次传播途径，外部污染如粪肥径流和回收水可引入抗生素抗性基因和持久性微污染物。源水质量不同于作物应用点水质，仍需研究不同CEA系统中水质变化与病原体检出的关系。
10. 受控环境农业中水媒和食源性病原体的流行病学
污染水是传播有害微生物的主要途径，沙门氏菌、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）和弯曲杆菌常与食源性疾病暴发相关。总大肠菌群检出后需进一步检测E. coli，但E. coli的存在与否不一定预示沙门氏菌污染。一起美国暴发调查中，室内水培CEA生产的叶菜与伤寒沙门氏菌感染相关，尽管每周水样E. coli检测阴性。商业土壤基CEA设施的环境监测也检出李斯特菌并显示其在可复用采收箱和结构表面持久存在。纵向研究应结合源水、营养液、生物膜、环境和作物采样，确定病原体传播途径和最早指示点。
11. 公共卫生意义和疫情关联
使用未经处理或处理不当的水灌溉会增加消费者腹泻等传染病风险，尤其影响儿童和免疫受损人群。回收水可能含有抗生素残留、抗生素抗性基因、重金属和藻毒素，这些污染物可在植物中积累并进入食物链。2021年首次报告了与水培CEA叶菜相关的多州伤寒沙门氏菌暴发，菌株在邻近生产设施的雨水排水盆地被检出，提示水污染是潜在来源。研究还显示，大肠杆菌可在用污染水洗涤过的长叶生菜和草莓表面存活长达七天。目前仍缺乏专门为CEA设计的标准水质监测系统，需要纵向研究测量降雨相关源水变化、温度、浊度、病原体检出和处理性能。
12. 风险评估框架和监测技术
风险评估工具可识别潜在危害并评估污染可能性。计算机风险模型和自动控制系统能改善水质量管理并降低风险。在水培和鱼菜共生系统中，污染源包括营养液、作物、设备和工人。水回用相关法规仍在发展中。现代监测技术使用传感器连续测量pH、温度、溶解氧、电导率和氧化还原电位，并可与物联网和机器学习结合预测水质变化。然而，许多农民仍依赖手持测试设备，目前尚无统一的水质参数监测项目和可接受限值。需要开发结合风险评估和连续监测的CEA特定指南，以检测病原体并确定何时应在水培营养液中采取纠正措施。
13. 受控环境农业用水水质的监管框架和政策差距
现有农业水质法规不完全适用于CEA。EPA、WHO和欧盟的指南主要关注微生物污染，未充分纳入重金属、过度盐度和新兴污染物。美国农场污染主要依靠自愿最佳管理实践，温室和室内农场受一般农业和废水政策约束。荷兰无土栽培系统需达到欧盟零养分排放目标，但实现情况不明。不同国家监管重点多为减少化肥投入，较少关注温室内部水质和养分损失监测。多层监管导致执行不一致，目前尚无专门针对CEA的全面水质监测协议，限制了风险评估和合规项目。
14. 未来方向和研究优先事项
新兴污染物如微塑料、药物残留、激素和有害微生物在水源中已被检出，但在CEA闭环系统中的积累及其对作物安全和食品质量的影响尚不清楚。替代水源尤其是再生水的使用增加，可能引入现有法规未完全涵盖的化学和生物污染物。未来需要智能实时水质监测系统，并进一步研究循环营养液、人工生长介质和受控根际环境如何影响污染物行为，从而制定有效的水管理策略。
15. 受控环境农业水质和公共卫生的综合风险框架及知识缺口
当前证据分散，尚未建立从水质失效到人类疾病的完整路径。工程研究关注水培系统设计和养分管理，食品安全研究关注病原体行为和控制，流行病学研究记录了与水培产品相关的食源性疾病暴发，但这些证据很少被整合。美国食品药品监督管理局（FDA）的《食品安全现代化法案》（FSMA）农产品安全规则将水培系统视为农业用水情境，但其评估标准并非为闭环循环环境设计，小型农场还可能获得豁免。本综述的核心是将农业科学、环境微生物学、食品安全、流行病学和风险评估整合为统一的“水到健康”框架，连接五个关键阶段：危害引入和持久性、污染物通过循环水传播、作物暴露和污染转移、人类通过消费暴露、潜在人群健康结局。这一框架识别了CEA水循环中的关键监测和干预点，为将水质测量与暴露途径和流行病学监测联系起来提供了基础。
16. 结论
受控环境农业（CEA）具有通过提高水效率强化粮食安全的潜力，但循环水系统产生了独特的微生物和化学污染途径。目前从水质失效到人类疾病的因果路径在生物学上合理，但多数证据仍属理论或间接观察，直接真实世界的证据有限。现有监测和监管框架可能无法充分捕获CEA相关独特风险。加强水质监测、统一监管标准、整合流行病学监测与环境微生物学进展，对改善风险评估和保障CEA安全扩展至关重要。采用“One Health”方法有助于区分理论危害和实际公共卫生风险，同时为在保障食品安全和公共卫生的前提下最大化CEA效益提供更坚实的证据基础。
