Johanna M. Engels | Frederic Leusch | Phil Choi | Patrick Smeets
澳大利亚格里菲斯大学环境与科学学院
摘要
本研究采用定量微生物风险评估方法，对尿液衍生肥料（UDF）的使用进行了比较风险情景分析，考虑了膜过滤和尿液储存作为处理方案。分析的风险情景包括：通过未清洗、未煮熟的自种植物意外摄入；处理和混合UDF的工人职业暴露；以及在最近施用了该肥料的绿地中玩耍的幼儿的娱乐性暴露。污染的主要来源是厕所中粪便混入尿液的过程中。Campylobacter jejuni和轮状病毒被选为参考病原体。由于目前没有关于尿液再利用的明确指南，因此估算了年感染风险和伤残调整生命年（DALY），并与现有的废水再利用标准进行了评估。分析表明，膜处理可以大大降低与UDF使用相关的健康风险：这些风险已经低到足以满足细菌和病毒风险的年度及DALY目标。结果还表明，仅通过尿液储存来灭活细菌和病毒是不太可能达到安全标准的，除非储存时间较长。与因职业和娱乐活动而间接接触相比，意外摄入含尿肥料的食品作物时的感染风险更高。尽管如此，剩余风险仍然较低，可以通过产品标签上的用户指南采取额外的简单缓解措施来有效管理。总之，膜处理技术可以减少UDF中可能存在的微生物危害，从而有助于实现可持续性目标。
引言
为了向循环经济转型，人类尿液被认为是农业实践中缺失的一环（Larsen等人，2021年）。正在开发先进的废水分离技术，以从尿液中提取有价值的、日益稀缺的植物营养物质——主要是氮、磷和钾——从而为小规模应用提供化学肥料的替代品（Sohn等人，2023年）。虽然尿液分离技术在能效、市场可行性和营养回收效率等方面取得了显著进展（Larsen等人，2021年），但单个系统的规模化应用需要法规合规性和公众对尿液衍生肥料（UDF）的接受度。UDF的应用引发了公共卫生问题，因为人们可能会通过意外摄入或皮肤接触而暴露于人类排泄物中的微生物危害（Simha等人，2021年）。
为了确定UDF是否安全使用，可以将预期风险与当局设定的基于健康的危险基准进行比较，并由监管机构评估相关风险是否可接受。在澳大利亚，通常使用1 µDALY（10-6 DALY，即每100万人每年1个伤残调整生命年）作为水质管理中的参考标准（EPHC/NRMMC/AHMC，2006年）。或者，美国环境保护署（USEPA）建议的年感染概率10-4的基准（理解为每年少于1万人感染）作为管道饮用水中微生物病原体的可接受风险，并被纳入了《地表水处理规则》中的国家饮用水法规（Haas等人，2014年）。这些指南是为饮用水供应增强、雨水收集和大规模废水再利用方案等用途制定的，但并未明确涵盖尿液再利用的源头分离（Hamilton等人，2020年）。
关于使用UDF可能带来的危害，普遍认为微生物污染的主要来源是受感染个体的粪便无意中进入尿液收集系统。平均而言，受感染个体的粪便每克含有105–1011个病毒拷贝，典型的细菌浓度为每克粪便1012 CFU，尽管并非所有病毒或细菌都具有致病性（Perez-Carrasco等人，2021年；Yan等人，2024年）。相比之下，健康个体尿路微生物组中的分离菌株通常含有少于104 CFU/mL的总细菌（Pearce等人，2014年）。尽管尿液不像以前认为的那样无菌，但其微生物组特征仍不充分了解，尤其是在健康个体和有症状个体之间的差异方面（Perez-Carrasco等人，2021年）。鉴于此，确定用于健康风险评估的病原体来源浓度仍然具有挑战性。
为了尽量减少潜在的微生物危害，基本的UDF方案通过储存作为处理方法将尿液回收为肥料以消除病原体。在尿液储存过程中，尿素水解为氨（NH3）。这一过程基本上是不受控制的，氨（在水解尿液的背景下）对病原体的有效性取决于其操作条件和环境条件，特别是pH值、温度和NH3浓度。关于后者，即使pH值相对稳定，总氨浓度也会随着稀释而显著降低（Nordin等人，2009年；Senecal等人，2018年）。
已经进行了多次灭活实验，以量化水解和非水解尿液中的病原体衰减情况，从而确定描述尿液储存过程中病原体对数减少所需的灭活速率常数（Vinneras等人，2008年）。然而，将这些实验得出的灭活速率常数适应于各个尿液收集系统的不同环境和操作条件仍然是一个挑战。冲洗行为是一个关键问题，因为进入尿液储存罐的冲洗水会稀释尿液和氨。因此，随着氨浓度的降低，氨处理的效力也会下降，导致收集尿液中的病原体灭活时间延长。这表明稀释比例和最终的氨浓度是影响病原体去除效果的关键参数（Stenström，2004年；Vinneras等人，2008年）。作为替代方案，NiCE开发了UrVal和Ugold系统，使用超滤和纳滤膜通过孔径大小排除来去除病原体，显著提高了病原体的减少效果（Jiang等人，2024年；Sohn等人，2024年）。
据我们所知，这将是首次定量微生物风险评估（QMRA），研究尿液储存后应用尿液衍生肥料（UDF）的残留健康风险，特别考虑了氨浓度对病原体灭活的作用，而不仅仅是依赖稀释比例。由于UGold和UrVal是首批结合膜过滤的尿液营养回收技术，它们的处理性能也将纳入我们的风险评估中。我们在以往研究的基础上确定了相关的暴露情景。因此，在本文中，风险情景包括职业暴露、在使用UDF进行景观美化的公园或游乐场中玩耍的幼儿，以及摄入用UDF灌溉的未清洗、未煮熟的自种植物。
因此，本研究的目的是验证膜技术是否符合再利用指南——特别是澳大利亚使用的那些指南——用于处理和在城市绿地中应用UDF（使用UGold和UrVal生产）。我们还评估了在不使用膜的情况下，是否可以实现短于世界卫生组织推荐的六个月储存时间。为此，我们评估了年感染风险和DALY。
材料与方法
根据世界卫生组织（WHO，2016年）的指南，进行了定量微生物风险评估（QMRA），以评估储存尿液作为液体肥料使用时存在的病原体所带来的潜在健康危害。这些指南提供了系统化的四步水安全管理程序：（1）问题识别，（2）暴露评估，（3）健康影响评估，（4）风险特征描述（Haas等人，2014年）。
情景分析
对所有风险情景进行了比较分析，以检查潜在的风险水平并验证是否符合现有的再利用指南。图1展示了所有风险情景中C. jejuni和轮状病毒的平均DALY（以pppy表示）。平均每日感染概率、年感染概率和DALY分别在以下页面的表2中总结（所有值都进行了对数转换，以便于结果的解释）。
讨论
这项QMRA的主要结论是，如果不进行处理或处理失败，UDF带来的健康风险超过了基准。研究表明，膜处理通常表现更好，因为剩余风险符合我们的暴露情景的风险基准。根据我们的评估，仅依靠储存，尤其是短期储存，可能会导致不可接受的剩余风险。值得注意的是，在输入数据中采用了保守的假设。
结论
本研究的目的是评估UDF的应用是否符合废水再利用期间保护人类健康的监管要求。利用QMRA随机建模，我们的研究结果表明，基于膜的处理提供了一种可行的解决方案，提高了UDF的接受度，优于以往仅依赖储存的方法。在这项分析中，考察了三种不同的风险情景。其中，涉及意外摄入轮状病毒的情景...
Johanna M. Engels：撰写——初稿、调查、方法论、可视化、正式分析。
Frederic Leusch：撰写——审阅与编辑、监督。
Phil Choi：撰写——审阅与编辑。
Patrick Smeets：撰写——审阅与编辑、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
Johanna Engels获得了格里菲斯大学的博士学位奖学金。
该项目得到了澳大利亚研究委员会（ARC）在循环经济中的营养素研究枢纽（NiCE）（IH210100001）的支持。感谢Anne Roiko教授、Cara Beal教授和Sayed Iftekhar副教授对我博士学位研究的支持。也非常感谢昆士兰水务局提供的资金支持。
术语表
- CFU
大肠菌群形成单位
- DALY
伤残调整生命年
- ds
双链
- ss
单链
- LRV
对数减少值
- PPPY
每人每年
- QMRA
定量微生物风险评估
- UDF
尿液衍生肥料
