本期摘要

因為直接影響人們的飲水安全，微生物的檢測是飲用水中最為關鍵的環節。但是，傳統的微生物檢測主要基于培養方法，檢測程序和方法繁瑣，操作具有一定的難度，且檢測周期較長，當發生微生物污染時，往往檢測結果會滯后于實際后果。多年來，供水行業一直在尋找可以替代傳統培養方法的現場快速檢測方法，以提高微生物檢測的時效性和便捷性。本文所介紹的基于現場檢測的qPCR方法，是現場檢測中的創新，經試驗具備可行性，可供水質檢測人員參考和進一步了解。

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在美國，越來越多的供水企業正在向水的再生利用方向進行轉型，目的是擴大當地社區更多的供水能力。水的再利用是指收集經過處理的污水，并將其用于農業和灌溉、飲用水供應、地下水補充、工業用途和環境恢復等有益目的的過程。“飲用水再利用”（Portable Reuse）具體指的是計劃對城市污水（簡稱“再生水”）進行深度處理，以增加飲用水的供應兩。直接飲用水再利用（DPR，Direct Portable Resue）是指將經過深度處理的水（稱為“凈化水”）直接引入飲用水水廠或輸配系統。許多供水企業都有興趣發揮飲用水再利用的潛在好處，同時證明純凈水用于飲用水的安全性，以及證明其可達到甚至超過可直接飲用的飲用水質量標準。為實現這一目標，當前一個主要的需求是升級改造，以及可靠可使用的水質檢測工具，供水企業的操作人員可以使用這些檢測工具來判斷飲用水再利用的微生物安全性。

病原體去除

考慮到再生水中存在微生物危害的潛在風險，就必要充分認識到深度處理系統對于去除病原體至關重要。在加利福尼亞州，目前的直接飲用水再利用（DPR）相關法規草案要求水中腸道病毒應減少20個對數，賈第鞭毛蟲應減少14個對數，隱孢子蟲應減少15個對數。供水企業通常使用膜過濾器為原生動物（即賈第鞭毛蟲和Crypto）提供四個對數的去除率值（LRV）保證，這個去除率的保證率通過常規壓力衰減測試（PDT）進行驗證。由于腸道病毒的直徑（約50 nm）通常比賈第鞭毛蟲囊腫和隱卵囊（約5000 nm）小得多，因此不可能使用常規的壓力衰減測試（PDT）來驗證腸道病毒通過膜過濾器（如微濾和超濾）的去除效果。同樣，對于膜生物反應器（MBRs），沒有長期建立的、廣泛認可的方法可以用來確保腸道病毒一定對數的去除率值（LRV）的保證。

在大多數州，使用傳統的膜過濾去除病毒不會獲得評價額外的加分。但是通過使用MS2大腸桿菌噬菌體的加標研究和觀察本土病毒替代物去除的研究，已經證明了使用超濾可以去除病毒。

檢測病毒和病毒替代物的能力并不新穎。但是，目前正在積極開發創新的方法，可以幫助水務企業在幾小時內，以可以承受的成本生成膜過濾系統中病毒的去除數據。這些數據對于通過膜過濾系統獲得額外的病毒去除率，以及與監管機構和公眾建立對處理過程有效性的信任將是有價值的。

本文重點介紹了基于現場原位的病毒檢測技術在飲用水再利用中的應用。CDM Smith的一個團隊正在與美國各地的供水企業合作，以進一步評估和改進該技術。

檢測病毒

使用分子生物學方法檢測病毒在水工業中并不是一個新概念，但隨著SARS-CoV-2（新冠肺炎）大流行的加速，分子生物學檢測工具的最新研究和應用進展可以提供更快、更準確的病毒檢測，如圖1所示。從歷史上看，水務行業一直依靠基于培養的檢測方法來檢測病毒。然而，并不是所有的病毒都是可培養的，需要在現場過濾掉大部分（通常超過200加侖的膜濾液）?；谂囵B基的方法的分析成本也很高（通常為1000美元/樣本），而且檢測時間很長（通常為幾周）。

量化病毒的分子生物學方法基于病毒基因組的檢測，這將幫助用戶量化水樣中的病毒種群。使用基于分子的方法來觀察水樣中存在的病毒是優選的方案，因為與基于培養物的方法相比，它具有更高的靈敏度，并提供了一種更快、更靈敏的方法來檢測病毒的發生和去除。

圖1 傳統檢測方法和現場檢測方法的對比

被稱為定量聚合酶鏈式反應（qPCR）的分子檢測方法可以在幾個小時內以低成本檢測病毒濃度。有了這種方法的保證，專業制造商制造了便攜式設備，可以在現場的桌面上檢測細菌和病毒。使用基于現場的qPCR儀器，操作員或技術人員可以收集水樣并通過過濾濃縮病毒；使用手動或自動提取的方法提取病毒基因組；添加一套特殊的試劑；然后將樣品插入qPCR儀器中，qPCR儀器重復加熱和冷卻樣品約40至50次以增殖靶向病毒。這些病毒在這個增殖步驟后會發出熒光，使qPCR儀器能夠檢測和量化它們的豐度。這些步驟和相關照片的摘要如圖2所示。

圖2 病毒量化檢測的過程

病毒研究

先前對病毒和病毒替代物的研究使檢測技術的最新創新得以確保水再利用的安全性。水研究基金會（WRF）支持了幾項病原體的去除研究。WRF研究項目《直接和間接飲用水再利用設施水質評估技術》（編號4508），于2019年收集了飲用水再利用設施的病原體指標數據。在WRF 4508項目中研究了病毒替代物包括艾奇病毒A和幾種植物病毒，包括辣椒輕度斑點病毒（PMMoV）。該項目對替代病毒的討論也很有價值。

盡管替代病毒對人類沒有傳染性，但它可以作為使人患病的病毒（腸道病毒）的去除效果的過程性能指標。腸道病毒的理想病毒替代品將表現出類似的物理和基因組特性，但它對人類沒有感染性，在處理過的污水中更普遍。

WRF 4508的研究將qPCR確定為一種有價值的檢測工具，用于檢測飲用水再利用應用中病毒替代物的存在與否。但也指出了由于成本高，其實施受到限制。在WRF 4508發布后不久，LuminUltra發布了一種基于現場的qPCR設備GeneCount，它有可能滿足這一需求。

此后不久，隨著新冠肺炎疫情在2020年開始加劇，對qPCR技術的創新也起到了助推的效果，這增加了用于檢測水基質中病毒（特別是SARS-CoV-2）的商業性檢測試劑盒的數量。這些試劑盒擴大了qPCR相關產品的市場，增加了試劑的可用性，使檢測病毒變得更容易，并能夠以更低的成本更快地得到結果。這使得水務企業可以收集更多的數據，這些額外的數據可以幫助水務企業證明凈化后的水是安全的?；诂F場的病毒檢測技術能夠大規模實現成本效益，這為其在飲用水再利用中的應用創造了許多機會。例如，現場qPCR設備的成本約為傳統實驗室qPCR設備成本的20%，而這種較低的資本成本為更廣泛采用的產品創造了潛力。

水再利用的未來

隨著供水企業尋求向公眾保證飲用水再利用的安全性，預計水的再利用檢測技術將繼續改進和發展。基于現場的qPCR技術現在已經可用，可能成為供水企業水質檢測過程可靠性的寶貴工具，能夠為膜工藝實現額外的病毒去除率進行背書，已成為尋求啟動水的再利用項目的幾家供水企業的關鍵關注點。

除了本文所述的初步的獨立實用性研究之外，WRF最近啟動了編號為5209研究項目——“使用基于現場分子的快速方法，給予膜應有的去除病毒的榮譽”。這一新項目由CDM Smith領導，旨在通過（1）縮短分析時間，（2）評估PCR抑制劑的影響，（3）估計病毒回收效率，（4）區分感染性和非感染性病毒，（5）確定更好的病毒替代物來推進該方法。這個項目將在幾個參與的水務企業進行額外的測試，以改進采樣和分析方法，并開發一個強大的基于膜的處理系統去除替代病毒的數據庫。這些數據將有助于進一步說明基于現場的qPCR如何成為一種獨特、有價值和便于操作的工具，使供水企業能夠與監管機構和公眾就飲用水再利用處理過程的安全性和有效性建立信任。

來源：原文出自AWWA的JOpflow，原文標題《Measure Viruses in the Field to Demonstrate Water Reuse Safety》

作者：ANNA NESS, ALI ZAREI-BAYGI, AND DAVE MACNEVIN

翻譯：《凈水技術》實習編輯張龍龍和《凈水技術》執行主編阮辰旼，匯編于，歡迎訂閱。

排版：《凈水技術》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術》執行主編 阮辰旼

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