人类肠道病毒在废水中频繁遭遇多样的微生物群落，与细菌及其他微生物的相互作用可深刻影响其环境持久性和传播。越来越多的证据表明，细菌能够结合并稳定肠道病毒，从而增强其耐热性并延长其感染性。这些相互作用不仅塑造了病毒在污水处理过程中的归宿，还可能影响基于废水的流行病学(Wastewater-Based Epidemiology, WBE)的灵敏度和结果解读，而WBE是公共卫生监测的重要工具。然而，关于调控细菌-病毒相互作用的分子机制及其在更广泛的废水微生物组中的作用，仍存在显著的知识空白。总之，深化我们对废水中跨界相互作用的理解，对于改进处理工艺、加强环境监测以及降低通过受污染水系统的病毒传播风险至关重要。
引言
废水（包括生活污水和工业废水）在环境卫生、水资源管理和资源回收中扮演着关键角色。废水含有来自人类和动物排泄物、工业排放物及环境径流的多种微生物，包括细菌和病毒。这些微生物污染物若未经妥善处理，会对公共健康和环境构成重大风险。除了防止传播，监测废水中的微生物污染物已成为早期发现疾病暴发和理解社区健康趋势的必要工具。废水中的病毒日益成为公共健康和环境安全的关注点，管理废水以限制其向人群传播至关重要。近期数据显示，肠道病毒与细菌及阿米巴原虫（称为跨界相互作用）的相互作用可促进病毒的环境稳定性，这可能对废水管理构成重大挑战。本文回顾了关于微生物组与主要是人类肠道病毒之间跨界相互作用这一不断发展的领域的最新文献，并探讨了这些相互作用可能如何影响处理系统中肠道病毒的管理。
废水中的肠道病毒和细菌多样性
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废水中的肠道病毒
肠道病毒是感染人类和动物胃肠道的一类多样病毒，常引起胃肠炎、肝炎和呼吸道感染等疾病。废水是肠道病毒的重要储存库，这主要源于感染个体的粪便污染。本综述主要关注与临床疾病和公共健康风险相关的人类肠道病毒。废水中常检测到来自不同病毒科的多种肠道病毒，如诺如病毒、轮状病毒、甲型和戊型肝炎病毒（HAV和HEV）、肠道病毒（包括脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、埃可病毒）、腺病毒和星状病毒。这些病毒在废水中可长期保持感染性，其持久性受温度、pH值和微生物群落存在等环境条件影响。
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废水中肠道病毒的来源和途径
肠道病毒通过人类粪便排出，并经由收集生活、商业和医疗源污水的排水系统进入污水处理厂。在卫生基础设施不足的地区，未经处理的污水可能被直接排入水体。肠道病毒可通过多种途径从废水中传播，包括直接排放到水体、用于灌溉和农业的废水回用、处理后的生物固体作为肥料使用，以及在处理过程中产生含有病毒颗粒的气溶胶。废水排放的一个重要下游后果是娱乐用水的污染，这与病毒性疾病暴发反复相关。
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废水中的细菌群落
废水含有大量多样的细菌群落，它们在有机质降解、养分循环和废水处理系统的整体功能中发挥作用。这些细菌源自人类粪便、工农业径流和其他环境来源。废水中细菌群落是高度动态的，其组成和功能因废水来源、处理阶段、温度和养分可用性等因素而异。大量高通量测序研究和宏基因组分析表明，市政废水含有许多不同的细菌类群，反映出跨处理阶段具有显著分类学丰富度。在不同地理区域和处理配置中，变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）一直被认为是废水中的优势细菌类群。其他细菌如放线菌门（Actinobacteria）和蓝细菌门（Cyanobacteria）虽然丰度较低，但也发挥着重要作用。此外，医院废水是多重耐药细菌进入市政系统的重要来源。
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地表水中的细菌群落
地表水（包括湖泊、河流和溪流）通常栖息着多种细菌，其中许多是天然存在的，在养分循环、分解和生态系统健康中发挥重要作用。常见的细菌包括大肠杆菌（Escherichia coli）、肠球菌（Enterococcus）、假单胞菌（Pseudomonas）和蓝细菌（Cyanobacteria）。然而，污水污染的引入会显著破坏这些细菌群落。污水含有高浓度的人类排泄物、化学物质和有机质，可向地表水引入有害病原体和过量养分，这通常导致指示粪便污染的大肠杆菌、肠球菌和梭菌属（Clostridium）等细菌水平升高。与污水污染相关的养分过载（特别是氮和磷）可引发藻华，进一步改变细菌群落组成。当肠道病毒存在于受污水污染的环境中时，这些不同类型的细菌可能与其相互作用并引起变化。
水中肠道病毒与细菌相互作用的机制
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细菌与肠道病毒的相互作用
许多早期工作旨在确定肠道病毒是否与细菌相互作用，鉴于其肠道嗜性及其与肠道细菌的邻近性。在动物模型中使用抗生素方法的研究表明，当细菌被耗竭时，脊髓灰质炎病毒和呼肠孤病毒等肠道病毒的复制显著减少。类似地，其他肠道病毒，包括诺如病毒、柯萨奇病毒B3、爱知病毒、门戈病毒和腺病毒，已被证明可直接与细菌细胞或细菌细胞壁成分相互作用，从而增强病毒颗粒稳定性。这些相互作用也可能延伸到肠道之外。这些数据表明，细菌可能广泛影响真核病毒，并在复制、致病和传播中发挥重要作用。许多假设被提出，广义上假定细菌可能对这些病毒产生直接或间接影响。虽然间接影响（如细菌调节先天免疫以促进肠道病毒感染）已被证实，但迄今为止的大部分工作集中在细菌对病毒颗粒的直接影响上。电子显微镜和其他检测已显示细菌可直接与诺如病毒、呼肠孤病毒、脊髓灰质炎病毒和柯萨奇病毒B3结合。数据表明这种相互作用可能由细菌细胞壁成分介导，如革兰氏阴性菌的脂多糖（LPS）和革兰氏阳性菌的肽聚糖。相比之下，诺如病毒和轮状病毒可与组织血型抗原（HBGAs）相互作用，这些抗原通常由肠道上皮细胞表达，但也存在于某些细菌中。总之，虽然细菌可能通过影响宿主间接促进肠道病毒感染，但目前数据表明细菌可通过结合直接与病毒颗粒相互作用。
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细菌介导的肠道病毒稳定性增强
最近的机制研究已开始阐明细菌直接增强肠道病毒致病性的具体分子相互作用。越来越多的证据表明，肠道病毒与细菌成分之间的相互作用对病毒稳定性至关重要。数据表明，在直接结合细菌细胞壁成分后，许多肠道病毒的衣壳得以稳定，保护其免受热灭活。对于脊髓灰质炎病毒，与LPS和肽聚糖结合可增加其稳定性，从而减少RNA的过早释放。在呼肠孤病毒、柯萨奇病毒、鼠诺如病毒和腺病毒中也观察到类似结果。此外，数据表明病毒与细菌细胞壁成分的相互作用限制了漂白剂等消毒剂的效力。最后，来自脊髓灰质炎病毒的数据还表明，这种相互作用可直接在环境中发挥功能作用。总之，通过结合细菌细胞壁成分，肠道病毒可能增强其稳定性，从而增加向新宿主的传播。这些稳定化相互作用可能是保守的，也可能对废水系统产生重要影响，在废水中，丰富的细菌和细菌细胞壁成分可能延长病毒颗粒的完整性，并影响环境持久性及废水监测中肠道病毒的可检测性。
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细菌介导的病毒灭活和抗病毒机制
虽然许多文献关注细菌与肠道病毒之间的稳定化相互作用（导致病毒感染性增加），但某些细菌种类及其胞外产物也能发挥抗病毒作用。多项研究表明，细菌蛋白酶（包括丝氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶）可降解病毒衣壳蛋白，导致感染性丧失。此外，脂肽生物表面活性剂等细菌代谢物可能改变病毒表面电荷并使病毒颗粒不稳定。竞争性吸附到细菌表面也可能通过将病毒颗粒隔离在阻止生产性感染的构型中来降低病毒感染性。这些抗病毒活性表明，细菌既能增强也能抑制病毒持久性，凸显了废水系统中跨界相互作用的背景依赖性。
对水和污水处理的影响
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污水处理系统中肠道病毒的持久性
细菌与肠道病毒的结合可显著影响污水处理过程的效率，具体取决于这些相互作用发生在处理流程的哪个阶段。在初级沉淀等早期阶段，吸附或聚集了细菌细胞和其他悬浮固体的病毒可能更容易沉降，从而潜在地改善病毒颗粒从水相中的去除。多项研究强调了许多不同类型病毒的高固液分配，表明大多数病毒将在废水处理的早期阶段随颗粒和细菌沉降，或根据过滤器尺寸被过滤掉。这种增强的沉降不仅通过减少进入二级处理前的病毒负荷有益于液相处理，还将病毒浓缩到污泥和固体部分中。因此，处理后的出水中病毒显著减少，因为它们附着在细菌或颗粒上。由于沉降作用，下游的固体处理过程（如厌氧消化、堆肥或热干燥）变得尤为重要。这些稳定化相互作用不仅从结构上稳定病毒，还在关键消毒步骤中充当保护屏障，最终使病毒在污水处理过程中的完全灭活化复杂化，并强调需要考虑到这些复杂微生物关系的先进监测和处理策略。
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地表水中肠道病毒的持久性
在污水处理厂之外，细菌-病毒相互作用一旦出水被排放到地表水中，也能显著影响病毒的持久性。在自然水生环境中，病毒可以吸附到自由生活的细菌、细菌生物膜和有机颗粒上，这些可作为抵御环境压力的物理屏障。盐度和离子强度可进一步促进病毒与细菌细胞和有机物的聚集，从而增强其在地表水中的环境持久性。此外，沉积物和浸没表面的生物膜可提供保护病毒免受温度波动、紫外线辐射和原生动物捕食的微环境。这些相互作用延长了娱乐水体中病毒的持久性，维持了潜在的公共健康风险，并强调需要不仅考虑自由病毒颗粒，还需考虑嵌入细菌或有机基质中的病毒的监测策略。
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增强肠道病毒去除的潜在策略
可采用多种策略来改进肠道病毒的去除，但很少有机构在消毒时考虑这些病毒-细菌相互作用。一种有前景的方法是直接针对保护病毒免受消毒的细菌-病毒相互作用。在消毒前应用低浓度表面活性剂或酶来分散生物膜，或使用高级氧化工艺（如UV/H2O2）生成能够穿透聚集物的羟基自由基，已被证明可增强病毒灭活。这些方法专门破坏保护病毒的物理屏障，使消毒剂能更有效地接触和灭活病毒颗粒。另一种创新策略涉及使用积极促进病毒降解或不可逆吸附的生物工程微生物群落。例如，研究表明细菌蛋白酶可降解病毒衣壳，从而降低病毒感染性。设计既能将病毒螯合在细胞表面又能酶促降解的微生物聚生体，可有效降低病毒在到达消毒阶段前的浓度。应用噬菌体提供了另一种针对性策略：噬菌体可感染并裂解主要的生物膜形成细菌，从而破坏常藏匿病毒的生物膜。通过将噬菌体疗法整合到处理流程中，公用事业单位可以选择性地削弱细菌屏障，而无需使用更高剂量的化学品。总之，利用工程微生物群落进行生物去除，补充了化学和物理过程，并且即使在波动的环境条件下也能保持性能，从而使系统更具韧性。
基于废水的流行病学（WBE）和公共卫生意义
基于废水的流行病学（WBE）是一种利用废水中病原体衍生核酸的分子检测来推断社区感染趋势的监测方法。WBE已成为监测社区肠道病毒暴发的有力工具，为追踪整个人群的感染情况提供了高效、非侵入性的方法。WBE依赖于定量分子技术，如逆转录定量PCR（RT-qPCR）和数字PCR，以测量病毒基因组浓度。由于许多肠道病毒被有症状和无症状个体通过粪便排出，它们可以在临床病例报告之前在污水中被检测到，从而为新兴暴发提供早期预警。除了追踪单一感染趋势，WBE在揭示肠道病毒传播动态及其与特定肠道细菌以及存在于污水和污水处理系统中的环境细菌的潜在相互作用方面具有重要前景。WBE可以揭示不同病毒暴发是否显示出相似的时间或空间模式，从而揭示共同的环境驱动因素或传播途径。通过分析废水样本中的病毒基因组与细菌群落谱，研究人员还可以识别可能暗示生态关系的共现模式，并可以显示特定的细菌类群是否持续与病毒颗粒相关联，从而可能稳定或增强其持久性。通过持续监测这些生态模式，WBE不仅可以作为人群水平的感染追踪器，还可以作为能够检测可能增强病毒持久性、感染性或环境生存的新兴病毒-细菌关联的早期预警系统。在将这些相互作用转化为大规模暴发之前捕获它们，可以显著改进微生物风险评估，并指导有针对性的、主动的公共卫生应对措施。
挑战和未来方向
尽管人们日益认识到病毒-微生物相互作用在塑造肠道病毒生物学中的重要性，但几个关键挑战继续限制着我们的机制性理解。一个主要障碍是缺乏能够在生理相关尺度上实时可视化病毒-细菌相互作用的先进分子、结构和成像工具。传统的基于培养或批量测序方法常常会忽略这些相互作用的空间和生物化学细微差别。此外，关于特定细菌类群对病毒持久性、环境稳定性和传播的具体贡献仍存在大量不确定性。在复杂的微生物群落中识别这些关系仍然是一个重大的技术和概念挑战。虽然迄今为止的大部分研究都集中在细菌-病毒相互作用上，但新出现的证据表明其他微生物也可能具有类似影响。例如，数据表明鼠诺如病毒可与真菌成分结合，这表明真菌也可能调节肠道病毒的稳定性。此外，最近的研究表明，病毒也可能与自由生活的阿米巴原虫结合并在其中持续存在。例如，人类诺如病毒和人类腺病毒可以与通常存在于自然和工程水系统中的阿米巴原虫相关联。在阿米巴原虫的液泡或细胞质中观察到病毒颗粒可长时间保持完整。这些发现表明，自由生活的阿米巴原虫可作为保护病毒免于降解并影响其在废水系统中持久性和运输的环境储存库。将研究范围扩大到包括真菌、原生动物和古菌伙伴，将拓宽我们对塑造病毒命运的完整微生物网络的理解。最后，一个很大程度上未被探索但同样重要的问题涉及病毒对微生物群落的反向影响。理解这些双向相互作用对于建立微生物生态系统如何影响我们水系统的全面模型至关重要。未来的进展将需要对废水微生物组进行更有针对性的探索。这些群落如何影响病毒在废水中的存活、聚集或灭活仍然知之甚少。改进的机制性理解可以指导开发下一代处理策略，以减轻与细菌相关的病毒持久性。例如，破坏病毒颗粒与细菌细胞壁成分之间的稳定化相互作用可能是一种有前景的方法。未来的研究将需要确定破坏这种相互作用的最佳方法，并测试其在我们水系统中的可行性。
结论
肠道病毒-细菌相互作用可能在塑造废水系统内病毒的稳定性、持久性和传播方面发挥关键作用。如本综述所讨论，这些相互作用可能会影响废水处理过程的效力，并最终影响公共健康。理解这些动态对于改进有效减少病毒负荷的废水处理策略至关重要。迫切需要继续整合微生物学、环境工程和公共卫生的跨学科研究，以充分阐明这些复杂的相互作用，并优化废水管理实践，以支持疾病预防和监测工作。
