证明饮用水再利用的安全性：一种现场检测病毒的新方法
因为直接影响人们的饮水安全，微生物的检测是饮用水中最为关键的环节。但是，传统的微生物检测主要基于培养方法，检测程序和方法繁琐，操作具有一定的难度，且检测周期较长，当发生微生物污染时，往往检测结果会滞后于实际后果。多年来，供水行业一直在寻找可以替代传统培养方法的现场快速检测方法，以提高微生物检测的时效性和便捷性。本文所介绍的基于现场检测的qPCR方法，是现场检测中的创新，经试验具备可行性，可供水质检测人员参考和进一步了解。
在美国，越来越多的供水企业正在向水的再生利用方向进行转型，目的是扩大当地社区更多的供水能力。水的再利用是指收集经过处理的污水，并将其用于农业和灌溉、饮用水供应、地下水补充、工业用途和环境恢复等有益目的的过程。“饮用水再利用”（Portable Reuse）具体指的是计划对城市污水（简称“再生水”）进行深度处理，以增加饮用水的供应两。直接饮用水再利用（DPR，Direct Portable Resue）是指将经过深度处理的水（称为“净化水”）直接引入饮用水水厂或输配系统。许多供水企业都有兴趣发挥饮用水再利用的潜在好处，同时证明纯净水用于饮用水的安全性，以及证明其可达到甚至超过可直接饮用的饮用水质量标准。为实现这一目标，当前一个主要的需求是升级改造，以及可靠可使用的水质检测工具，供水企业的操作人员可以使用这些检测工具来判断饮用水再利用的微生物安全性。
病原体去除
考虑到再生水中存在微生物危害的潜在风险，就必要充分认识到深度处理系统对于去除病原体至关重要。在加利福尼亚州，目前的直接饮用水再利用（DPR）相关法规草案要求水中肠道病毒应减少20个对数，贾第鞭毛虫应减少14个对数，隐孢子虫应减少15个对数。供水企业通常使用膜过滤器为原生动物（即贾第鞭毛虫和Crypto）提供四个对数的去除率值（LRV）保证，这个去除率的保证率通过常规压力衰减测试（PDT）进行验证。由于肠道病毒的直径（约50 nm）通常比贾第鞭毛虫囊肿和隐卵囊（约5000 nm）小得多，因此不可能使用常规的压力衰减测试（PDT）来验证肠道病毒通过膜过滤器（如微滤和超滤）的去除效果。同样，对于膜生物反应器（MBRs），没有长期建立的、广泛认可的方法可以用来确保肠道病毒一定对数的去除率值（LRV）的保证。
在大多数州，使用传统的膜过滤去除病毒不会获得评价额外的加分。但是通过使用MS2大肠杆菌噬菌体的加标研究和观察本土病毒替代物去除的研究，已经证明了使用超滤可以去除病毒。
检测病毒和病毒替代物的能力并不新颖。但是，目前正在积极开发创新的方法，可以帮助水务企业在几小时内，以可以承受的成本生成膜过滤系统中病毒的去除数据。这些数据对于通过膜过滤系统获得额外的病毒去除率，以及与监管机构和公众建立对处理过程有效性的信任将是有价值的。
本文重点介绍了基于现场原位的病毒检测技术在饮用水再利用中的应用。CDM Smith的一个团队正在与美国各地的供水企业合作，以进一步评估和改进该技术。
检测病毒
使用分子生物学方法检测病毒在水工业中并不是一个新概念，但随着SARS-CoV-2（新冠肺炎）大流行的加速，分子生物学检测工具的最新研究和应用进展可以提供更快、更准确的病毒检测，如图1所示。从历史上看，水务行业一直依靠基于培养的检测方法来检测病毒。然而，并不是所有的病毒都是可培养的，需要在现场过滤掉大部分（通常超过200加仑的膜滤液）。基于培养基的方法的分析成本也很高（通常为1000美元/样本），而且检测时间很长（通常为几周）。
量化病毒的分子生物学方法基于病毒基因组的检测，这将帮助用户量化水样中的病毒种群。使用基于分子的方法来观察水样中存在的病毒是优选的方案，因为与基于培养物的方法相比，它具有更高的灵敏度，并提供了一种更快、更灵敏的方法来检测病毒的发生和去除。
图1 传统检测方法和现场检测方法的对比
被称为定量聚合酶链式反应（qPCR）的分子检测方法可以在几个小时内以低成本检测病毒浓度。有了这种方法的保证，专业制造商制造了便携式设备，可以在现场的桌面上检测细菌和病毒。使用基于现场的qPCR仪器，操作员或技术人员可以收集水样并通过过滤浓缩病毒；使用手动或自动提取的方法提取病毒基因组；添加一套特殊的试剂；然后将样品插入qPCR仪器中，qPCR仪器重复加热和冷却样品约40至50次以增殖靶向病毒。这些病毒在这个增殖步骤后会发出荧光，使qPCR仪器能够检测和量化它们的丰度。这些步骤和相关照片的摘要如图2所示。
图2 病毒量化检测的过程
病毒研究
先前对病毒和病毒替代物的研究使检测技术的最新创新得以确保水再利用的安全性。水研究基金会（WRF）支持了几项病原体的去除研究。WRF研究项目《直接和间接饮用水再利用设施水质评估技术》（编号4508），于2019年收集了饮用水再利用设施的病原体指标数据。在WRF 4508项目中研究了病毒替代物包括艾奇病毒A和几种植物病毒，包括辣椒轻度斑点病毒（PMMoV）。该项目对替代病毒的讨论也很有价值。
尽管替代病毒对人类没有传染性，但它可以作为使人患病的病毒（肠道病毒）的去除效果的过程性能指标。肠道病毒的理想病毒替代品将表现出类似的物理和基因组特性，但它对人类没有感染性，在处理过的污水中更普遍。
WRF 4508的研究将qPCR确定为一种有价值的检测工具，用于检测饮用水再利用应用中病毒替代物的存在与否。但也指出了由于成本高，其实施受到限制。在WRF 4508发布后不久，LuminUltra发布了一种基于现场的qPCR设备GeneCount，它有可能满足这一需求。
此后不久，随着新冠肺炎疫情在2020年开始加剧，对qPCR技术的创新也起到了助推的效果，这增加了用于检测水基质中病毒（特别是SARS-CoV-2）的商业性检测试剂盒的数量。这些试剂盒扩大了qPCR相关产品的市场，增加了试剂的可用性，使检测病毒变得更容易，并能够以更低的成本更快地得到结果。这使得水务企业可以收集更多的数据，这些额外的数据可以帮助水务企业证明净化后的水是安全的。基于现场的病毒检测技术能够大规模实现成本效益，这为其在饮用水再利用中的应用创造了许多机会。例如，现场qPCR设备的成本约为传统实验室qPCR设备成本的20%，而这种较低的资本成本为更广泛采用的产品创造了潜力。
水再利用的未来
随着供水企业寻求向公众保证饮用水再利用的安全性，预计水的再利用检测技术将继续改进和发展。基于现场的qPCR技术现在已经可用，可能成为供水企业水质检测过程可靠性的宝贵工具，能够为膜工艺实现额外的病毒去除率进行背书，已成为寻求启动水的再利用项目的几家供水企业的关键关注点。
除了本文所述的初步的独立实用性研究之外，WRF最近启动了编号为5209研究项目——“使用基于现场分子的快速方法，给予膜应有的去除病毒的荣誉”。这一新项目由CDM Smith领导，旨在通过（1）缩短分析时间，（2）评估PCR抑制剂的影响，（3）估计病毒回收效率，（4）区分感染性和非感染性病毒，（5）确定更好的病毒替代物来推进该方法。这个项目将在几个参与的水务企业进行额外的测试，以改进采样和分析方法，并开发一个强大的基于膜的处理系统去除替代病毒的数据库。这些数据将有助于进一步说明基于现场的qPCR如何成为一种独特、有价值和便于操作的工具，使供水企业能够与监管机构和公众就饮用水再利用处理过程的安全性和有效性建立信任。
