研究背景:人类肠病毒是重要的介水传播病原体,主要通过污染水源而传播疾病,经粪口途径传播,具有传播速度快,易于人人传播的特点,可引起感染性腹泻、脊髓灰质炎和手足口病等多种介水传播病毒性传染病。其中感染性腹泻病是发展中国家儿童患病和死亡的主要原因,也是儿童营养不良的重要原因。而病毒性腹泻是儿童感染性腹泻最常见的原因,约占儿童感染性腹泻的70%。据世界卫生组织报道,腹泻病是五岁以下儿童的第二大死因,每年共有52.5万名儿童死于此病。因此,人类肠病毒感染所致传染病疫情已经给人类健康造成了严重影响。暴露于病毒污染的水环境被认为是人类肠病毒感染疫情暴发的重要原因之一。同时,由于城市生活污水、医院污水等经污水处理系统处理后大部分直接排入水环境中,所以水中病毒的污染情况在一定程度上也可以指示人群疾病的爆发。因此,准确而快速的检测水中人类肠病毒的污染情况对今后传染病防控具有重要意义。然而现阶段尚无理想的方法或指标来指示水环境中人类肠病毒存在的种类和数量,同时水中病毒的检测工作费时费力,导致长期以来水中病毒的污染问题被忽视,目前亟需一种可以准确预测水环境中人类肠病毒污染的技术手段。基于此,本研究提出了“基于水质常规检测指标构建数学模型预测水中人类肠病毒污染”的科学假设,拟在阐明水中人类肠病毒污染规律的基础之上,通过掌握水中人类肠病毒污染的相关因素,建立基于水质理化指标和细菌学指标的人类肠病毒污染预测模型,实现对水环境中人类肠病毒污染的快速预测。研究目的和意义:本研究旨在通过建立天津市代表性河流—海河和津河水中人类肠病毒浓度的预测模型,首先实现对城市河流中人类肠病毒污染的快速有效预测,为水环境中人类肠病毒污染的快速预判及人群中介水传播疾病疫情的预警提供有力工具。同时,建立大体积海水中病毒的高效富集方法并完成对青岛第一海水浴场人类肠病毒为期一年的检测工作,初步探讨了海水环境中人类肠病毒的分布规律,为后续的海水人类肠病毒污染预测研究打下坚实的基础。本研究将为水中人类肠病毒的检测及相关疾病防控开创新思路和新途径,并为有效预防疾病发生、控制疾病发展提供了理论基础,最终推动公共卫生事业的发展。研究内容和研究方法:(1)人类肠病毒在城市河流中的污染规律研究:以流经天津市中心的海河、津河为研究对象,以人类肠病毒、水质理化指标和细菌学指标为监测对象,在2012年3月~2016年2月间对海河和津河进行连续四年的检测。通过分析人类肠病毒的时间变化规律掌握人类肠病毒在城市河流中的污染规律。(2)城市河流中人类肠病毒的污染预测技术研究:综合分析海河和津河水质理化指标和细菌学指标对人类肠病毒在城市河流中浓度的影响并掌握它们之间的相关关系。基于病毒浓度时间序列变化规律,建立以水质理化指标和细菌学指标为变量的“城市河流中人类肠病毒污染预测数学模型”,并利用模型预测和验证其他城市河流中人类肠病毒的污染。(3)沿海水域大体积海水中病毒高效富集技术的建立:基于实验室自主研制的装有载阳电荷滤料(Electropositive Granule Media,EGM)的智能式大体积病毒富集系统,就沿海水域水质特性对该系统病毒回收率的影响进行探讨并确定系统应用于沿海水域病毒富集时所需的各项参数,同时将该系统病毒富集效果与其他病毒富集方法进行比较以验证方法的有效性。(4)人类肠病毒在沿海水域的分布规律研究:以青岛第一海水浴场为研究对象,以人类肠病毒、水质理化指标和细菌学指标为监测对象,在2018年1月~2018年12月间对青岛第一海水浴场进行为期一年的检测。分析人类肠病毒的时间变化规律和水域空间分布规律以及与水质理化指标和细菌学指标间的关系,初步探讨并掌握人类肠病毒在沿海水域的污染规律。研究结果:(1)海河和津河水中腺病毒(HAdVs),轮状病毒(HRVs),诺如病毒(HuNoVs)和星状病毒(AstVs)均在冬季100%检出且达到病毒浓度高峰,而肠道病毒(EnVs)均在夏季100%检出,在8月份病毒浓度达到最高。海河和津河水中仅EnVs浓度与总大肠菌群(TC)间存在正相关关系,TC有可能是指示地表水中EnVs存在的理想指标。除此之外,海河和津河水中人类肠病毒浓度和各水质理化指标和细菌学指标间均存在不同程度的相关关系。(2)多元线性回归(MLR)、人工神经网络(ANN)和非线性有源自回归(NARX)三种模型均能实现对海河和津河水中人类肠病毒浓度的预测,其中NARX模型对水中病毒浓度的预测精度最高,对海河和津河完整数据集拟合的R值均大于0.9,并且能够实现对水中人类肠病毒浓度提前6个月的准确预测,相比于MLR和ANN模型对病毒浓度的同期预测,NARX模型具有明显的优势。其次是ANN模型,对海河和津河完整数据集拟合的R值均大于0.8。而MLR模型可准确预测海河和津河水中23.6%~86.0%的人类肠病毒浓度。MLR、ANN和NARX三种模型更适用于对自身水体中病毒浓度的预测,不能完全适用于其他城市河流中人类肠病毒浓度的预测。(3)本研究研发的EGM过滤系统对沿海水域大体积海水(10L~100L)中病毒的回收率达到88%以上。该方法不受海水温度、pH值、化学耗氧量、氨氮含量及病毒含量的影响,并且适用于海水中柯萨奇病毒(CVs)、AstVs、HuNoVs和HAdVs等多种人类肠病毒的富集。同时该系统在过滤前不需要对海水进行预处理,吸附在固体基质上的病毒也能够得到有效富集。(4)HAdVs和AstVs在青岛第一海水浴场各区域均有不同程度的检出,HuNoVs和EnVs在排污口污水中均被检出,表明浴场普遍存在人类肠病毒的污染。其中游泳区HAdVs和AstVs在冬季浓度达到最低,而在夏秋季节出现病毒浓度高峰且浓度高于中间区和污染区,说明节假日游客的出行给浴场带来了一定程度的粪便污染。排污口污水中HAdVs、AstVs和HuNoVs浓度均在冬季最高,同时HAdVs和AstVs在排污口污水中的浓度大于在污水入海口海水中的浓度,说明海水对随污水排入的人类肠病毒具有很强的稀释作用。研究结论:(1)天津市海河和津河水中HAdVs,HRVs,HuNoVs,AstVs和EnVs五种人类肠病毒的分布均呈现出明显的季节规律性。人类肠病毒浓度和各水质理化指标和细菌学指标间存在不同程度的相关关系,TC有可能是指示地表水中EnVs存在的理想指标。(2)本研究所建MLR、ANN和NARX模型均能实现对水中人类肠病毒浓度的准确预测。其中NARX模型的预测效能最高,并且可实现对水中人类肠病毒浓度提前6个月的准确预测。MLR、ANN和NARX模型更适用于对自身水体中病毒浓度的预测。(3)本研究成功建立了沿海水域大体积(10L~100L)海水中病毒的高效富集方法,病毒回收率达到88%以上。(4)青岛第一海水浴场普遍存在人类肠病毒污染,节假日游客出行给浴场带来了一定程度的粪便污染,海水对随污水排入的人类肠病毒具有很强的稀释作用。