评估用于雨水在娱乐和再利用场景中的微生物风险评估的病原体建模方法

《Science of The Total Environment》：Evaluating pathogen modeling approaches for microbial risk assessment of stormwater in recreational and reuse contexts

定量微生物风险评估中人类粪便标记HF183的应用验证与优化研究，通过对比病原体测量与标记方法在风暴水娱乐用水和回用场景中的效果，发现HF183在娱乐场景中能准确反映发病率（1.2×10?2），但需考虑污染衰减参数；回用场景中标记法与病原体方法存在1个数量级差异，需建立更精准的源衰减模型。

　　

作者：Audrey Laiveling、Corinne Wiesner-Friedman、Michael Jahne

美国橡树岭科学与教育研究所，地址：26 Martin Luther King Drive, Cincinnati, OH, 45268

摘要

本研究评估了在定量微生物风险评估（QMRA）中，使用与人类粪便相关的标记物（HF183）与病原体测量方法的效果，针对两个先前发表的情景进行了分析：一是冲浪者在潮湿天气事件后接触受雨水污染的海水的情况；二是雨水被重新用于饮用和非饮用目的的情况。值得注意的是，这项关于娱乐用水的研究为从流行病学角度验证QMRA的估计结果提供了难得的机会。病原体输入数据采用了四种基于先前建议的方法进行估算：病原体直接测量、标记物测量（包括衰减因素）以及假设污水占比为10%的方法。在娱乐用水情景中，基于病原体的方法得出的疾病发生中位数概率（1.8 × 10^-2）与同期流行病学研究得出的平均疾病率（1.2 × 10^-2）最为接近；而基于标记物的方法低估了疾病风险，但考虑到衰减因素后得出的疾病发生中位数概率（6.0 × 10^-4）仍在流行病学平均值的置信区间内。尽管在雨水再利用情景中缺乏流行病学验证数据，但基于病原体和基于标记物的方法得出的对数减少目标（LRTs）之间的差异通常在1个对数单位以内。在两种情景中，假设污水占比为10%的方法都对人类健康具有较为保守的保护作用。我们的研究结果表明了人类粪便标记物在雨水QMRA中的潜在应用价值，同时也强调了需要进一步了解病原体与标记物之间的来源及衰减关系。

引言

城市雨水径流对保护人类健康的水资源构成了持续性的挑战（Müller等人，2020年）。雨水中的各种污染物，包括来自人类和动物粪便的病原细菌、病毒和原生动物（Alja'fari等人，2023年），虽然难以准确鉴定，但它们通过接触受污染的娱乐用水（McBride等人，2013年）或雨水收集与利用系统（SCU）（Sales-Ortells和Medema，2015年）可能对健康构成威胁。由于直接测量病原体成本高昂且不切实际，因此可以利用高密度存在的与人类粪便相关的标记基因来估算粪便污染情况（Zhang等人，2019年）。利用人类粪便标记物（如HF183）进行微生物源追踪（MST）可以识别雨水中的粪便污染（Sauer等人，2011年）以及受雨水影响的系统（Diedrich等人，2023年），并将其应用于定量微生物风险评估（QMRA）中，以评估娱乐用水中的健康风险（Staley等人，2012年）。针对多种人类标记物，已经制定了基于风险的阈值（RBTs，即与预设疾病风险相关的标记物水平）（Ahmed等人，2018年；Boehm等人，2015年；Crank等人，2019年；Goh等人，2021年），一些监管机构也在考虑将这类标记物作为水质标准（美国环保署，2014年）。

与传统的粪便细菌指标相比，人类标记物在评估受废水污染的水质方面具有更高的特异性（Edge等人，2020年；Sherchan等人，2022年），因此是一种有价值的QMRA工具。然而，标记物与人类传染性病原体之间的相关性存在不一致性（McGinnis等人，2018年），这需要进一步评估标记物在预测疾病风险方面的有效性，尤其是在污染源的年龄未知的雨水情况下。虽然最近有研究比较了基于人类标记物和基于病原体的QMRA在娱乐用水中的应用（Skiendzielewski等人，2024年），但尚未研究潮湿天气事件后雨水污染对基于标记物和基于病原体的健康风险预测的影响。此外，据我们所知，目前还没有研究直接将基于标记物的QMRA结果与流行病学研究中的疾病发生率进行比较。了解人类标记物在QMRA中的表现对于推进水质管理中的微生物源追踪技术至关重要。

除了影响娱乐用水外，微生物污染物还阻碍了雨水在饮用和非饮用领域的广泛应用（Ahmed等人，2019a）。尽管QMRA已被用于评估接触受雨水污染的娱乐用水所带来的健康风险（Lowry等人，2025年；Sales-Ortells和Medema，2015年），但针对雨水用于饮用和非饮用目的的QMRA研究仍较为有限（Ahmed等人，2019a；Alja'fari等人，2025年）。人类标记物通过建立雨水中的粪便污染基线假设（例如，污水稀释比为10^-1）（Alja'fari等人，2025年；Schoen等人，2017年；Jahne等人，2023年；美国环保署，2025年），为制定通用对数减少目标（LRTs）提供了依据。然而，粪便含量较低的SCU系统可能需要较少的处理措施且成本更低，因此有人提出使用人类粪便标记物来制定特定系统的LRTs（Alja'fari等人，2025年）。一种特定的标记物HF183（用于检测人类拟杆菌属细菌）此前已被推荐用于SCU处理设计和监测（Sharvelle等人，2023年）。不过，据我们所知，这种利用人类粪便标记物计算特定场地LRTs的方法尚未在实际应用中得到验证。

基于标记物和基于病原体的雨水QMRA比较受到有限研究的限制，因为相关研究中同时报告人类标记物和病原体定量测量的案例较少（Alja'fari等人，2023年）。在这里，我们采用蒙特卡洛风险评估方法，利用现有的标记物和病原体浓度数据集（Steele等人，2018年），这些数据是与冲浪者疾病流行病学研究（Arnold等人，2017年）同时收集的，从而有机会直接将基于标记物预测的疾病风险与实际观察到的疾病发生率进行验证。本研究旨在评估在（1）受雨水污染的娱乐用水情景中，人类粪便相关的遗传标记物与替代病原体估算方法（即基于实测数据和假设污水稀释比为10^-1的方法）在QMRA中的效果；以及（2）通过雨水收集与利用系统的LRTs来评估它们对处理目标的相对影响。这项工作有助于我们更好地理解人类标记物在雨水微生物风险评估中的应用效果。

部分内容摘录

标记物和病原体浓度

我们使用了来自一项现有研究（Steele等人，2018年）的数据——以下简称Steele研究/数据集——其中包含了雨水排放物中的人类标记物（HF183）和病原体（包括诺如病毒NoV基因组I和II（GI和GII）、腺病毒（AdV）、空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）和沙门氏菌（Salmonella enterica）的浓度。这些病原体是美国许多潜在水源性胃肠道疾病的主要来源（Hlavsa等人，2015年），并被用作参考病原体。

病原体建模方法与实测数据存在差异

人类粪便标记物被认为是一种改进的病原体风险指示物；本研究使用了一个独特的数据集来评估其中一种标记物HF183的性能，该数据集同时收集了雨水中的病原体和人类标记物数据（Steele等人，2018年）。尽管只有HF183的数据可用，而更新的病毒标记物（如crAssphage、PMMoV）无法进行评估，但基于标记物的方法得出的病原体分布与实测数据存在差异（见图1、S2）。

结论

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  一项结合流行病学研究的雨水定量病原体和人类标记物测量数据集，为验证基于模型的风险估计与实际观察到的疾病情况提供了新的机会。
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  HF183可以根据疾病基准（例如，每1000人中有32例疾病）将娱乐用水分类为可接受或不可接受，但可能会大幅低估病原体浓度和风险。需要进一步了解废水中的标记物与病原体之间的比例关系。

CRediT作者贡献声明

Audrey Laiveling：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定、概念构思。 Corinne Wiesner-Friedman：负责写作、审稿与编辑、数据可视化、项目监督。 Michael Jahne：负责写作、审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法论制定、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本项目部分得到了美国环境保护署（EPA）环境解决方案与应急响应中心研究参与计划的支持，该计划由橡树岭科学与教育研究所通过美国能源部与EPA之间的机构间协议管理。

作者感谢Jeffrey Soller、Jay Garland以及匿名同行评审专家的宝贵贡献。