畜禽養殖環境中典型病毒的分布、傳播與控制

高潁，賁偉偉，郭影，強志民

1. 中國科學院生態環境研究中心環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100085 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083

近年來，畜禽養殖逐漸向集約化、規?；l展，隨著動物飼養密度的提高，動物患病風險增加，疾病防控難度也相應增大。據調查顯示，70%以上的動物疾病都以病毒性疾病為主[1]。動物病毒性疾病的暴發不僅會影響畜禽產品的質量，導致動物大量死亡，給畜牧業造成巨大經濟損失；一些以養殖動物為源頭的人畜共患病毒甚至會傳播至人居環境，威脅人類健康。例如2009年甲型H1N1流感在全球蔓延[2]，2014—2015年H5N2亞型高致病性禽流感在美國暴發等[3]，均是由人畜共患病毒引起的大規模流行病疫情。畜禽養殖場作為重要的病毒污染來源，明確其中病毒的分布特征以及向環境中傳播的途徑及規律，對從源頭上控制病毒向人類傳播、防止疫情的初期暴發具有重要意義。本文基于對國內外相關研究的分析，對畜禽養殖環境中典型病毒的種類及濃度進行了小結，對其在多種環境介質中的傳播規律及影響因素進行了分析，并介紹了養殖場病毒風險多途徑控制技術，以期為加強畜禽養殖場病毒風險防控提供參考。

1 病毒在空氣中的分布與傳播(Distribution and transmission of viruses in air)

1.1 病毒氣溶膠的分布(Distribution of viral aerosols)

氣溶膠途徑是病毒傳播的一種重要方式，具有傳播速度快、距離遠以及難以控制等特點[4]。畜禽養殖場中很多種病毒都可以通過氣溶膠進行傳播，如豬的甲型流感病毒(influenza A virus, IAV)、口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus, FMDV)、豬繁殖與呼吸綜合征病毒(porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV)和豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhea virus, PEDV)等，以及家禽的新城疫病毒(Newcastle disease virus, NDV)、馬立克氏病病毒(Marek’s disease virus, MDV)和禽流感病毒(avian influenza virus, AIV)等[5]。病毒氣溶膠的傳播可造成養殖場內部動物疫病的集中暴發，更可能進一步通過空氣擴散，導致鄰近養殖場動物的感染，一些人畜共患病毒的氣溶膠甚至會形成更大范圍的傳播，威脅到周邊居民的身體健康[4,6]。

多項研究已經在實驗室模擬條件下驗證了病毒氣溶膠的傳播風險。李欣[2]發現豬源甲型H1N1流感病毒分離株可形成病毒氣溶膠，且能夠引起豬群的氣源性感染。郝海玉[7]證明感染雞排出的MDV能形成氣溶膠，并會迅速傳播感染整個雞群，且存在傳播至鄰近禽舍的風險。Kaplan等[8]使用流感病毒感染動物模型評估了甲型H3N2流感病毒氣溶膠的傳播風險，發現該病毒可通過氣溶膠途徑從感染豬傳染至雪貂，因此推斷該病毒可能會通過氣溶膠途徑由豬傳播給人類。

表1總結了畜禽養殖環境中病毒氣溶膠的分布特征，可以看出，受感染動物釋放的病毒可以在畜禽舍內、養殖場周邊以及活禽市場的空氣中廣泛分布和傳播。畜禽舍內相對封閉，病毒氣溶膠濃度較高。在位于中國、美國和加拿大等地的畜禽舍內空氣樣品中，AIV、IAV和豬圓環病毒2型(porcine circovirus type 2, PCV2)等病毒的陽性檢出率為23.3%～90.4%[2,4,9-11]，其中傳染性IAV占陽性樣本的16.3%～51.4%[9-10]，病毒濃度最高可達106～107copies·m-3[2,10-11]。當病毒氣溶膠從畜禽舍排出后，將進一步隨空氣擴散，導致周邊空氣的污染。據報道，在位于中國和美國的一些養豬場附近的空氣中，IAV、PEDV和PRRSV等病毒的陽性檢出率為4.2%～67.8%[2,9,12-13]。一些病毒氣溶膠可順風傳播至較遠距離。Brito等[13]在美國某豬場下風向30 m處的空氣中檢測到PRRSV的濃度高達106TCID50·mL-1；Alonso等[12]在美國多家豬場下風向0.02～16.09 km 處的空氣中檢測到PEDV的濃度高達105copies·m-3；Corzo等[9]最遠在豬場下風向2.1 km處檢測到IAV的RNA。整體而言，在養殖場和養殖動物密度較高的地區，養殖場周邊空氣中病毒的檢出率、濃度和多樣性會更高[13]，氣溶膠傳播途徑中的病毒隨傳播距離的延長，其濃度和風險將逐漸降低。李欣[2]和Corzo等[9]發現豬舍外空氣中的IAV濃度比豬舍內低1～3個數量級，當IAV從豬舍排氣扇處傳播至下風向0.9～2.1 km處時，病毒濃度降低1個數量級，傳染性IAV占陽性樣本的比例也從1.6%降為0?；钋菔袌鲆彩遣《練馊苣z傳播的典型場景之一?；钋菔袌龅募仪輥碓磸碗s，且密度較高，病毒可能會發生重組，又因為市場的流通性較大，當病毒氣溶膠保持傳染性時，可能會感染更多的動物甚至人類。在我國江西、廣東等地的活禽市場空氣中，AIV曾被檢出且其陽性率為7.8%～34.1%[14-15]，其中傳染性AIV占陽性樣本的0.4%～5.3%。

表1 病毒氣溶膠在畜禽養殖場及周邊環境中的分布Table 1 Distribution of viral aerosols in livestock and poultry farms and surroundings

1.2 病毒氣溶膠的傳播影響因素(Influencing factors on viral aerosol transmission)

病毒氣溶膠的傳播與其載體顆粒(灰塵、糞便、呼吸道液滴、毛發和墊料碎片等)的大小有關[16]。研究顯示，隨著載體顆粒增大，其負載的病毒數量增多且存活能力增強。Alonso等[16]從飼養實驗感染豬的隔離室采集了空氣樣本，發現感染豬釋放的IAV、PRRSV和PEDV分散在各種粒徑(0.4～10 μm)的顆粒中，且顆粒越大其負載的病毒濃度越高，如IAV、PRRSV和PEDV的濃度最高值均出現在粒徑為9～10 μm的顆粒中，分別為4.3×105、5.1×104和3.5×108copies·m-3；同時顆粒越大其負載的IAV和PRRSV的存活能力越強，如IAV和PRRSV僅從粒徑>2.1 μm的顆粒中分離得到。Zuo等[17]通過實驗室氣溶膠測試隧道試驗，發現傳染性病毒和總病毒濃度均隨顆粒粒徑(100～450 nm)增大而升高，如豬傳染性胃腸炎病毒(transmissible gastroenteritis virus, TGEV)、豬流感病毒(swine influenza virus, SIV)和AIV的濃度最大值均出現在400～450 nm的顆粒中，其濃度分別為35、180和60 TCID50·cm-3，且TGEV、SIV和AIV在大粒徑(300～450 nm)顆粒下的存活能力明顯更高，推測可能與屏蔽效應有關，即較大顆粒中的病毒可能被更多的有機物包圍，可以使病毒免受紫外線照射等環境影響，并減少干燥和取樣器有關的機械力等采樣壓力，從而更好地保持病毒的傳染性。

病毒氣溶膠的傳播也與氣象因素有關，相對濕度、溫度和風可以影響顆粒的沉降時間，從而影響病毒氣溶膠的傳播軌跡[16]。Pitkin等[18]和Dee等[19]通過構建養豬生產區域模型，發現低溫、較高的相對濕度、高氣壓、日照不足、低風速以及陣風等因素，都可能導致距離感染PRRSV豬群下風向120 m處的氣溶膠陽性率增加，如氣壓每增加一個單位，氣溶膠呈PRRSV陽性的幾率就增加9%。

2 病毒在水介質中的分布與傳播(Distribution and transmission of viruses in aqueous medium)

2.1 病毒的分布(Distribution of viruses)

水體是病毒擴散和傳播的重要途徑，畜禽養殖場中存在的多類病毒如輪狀病毒(rotavirus, RV)、戊型肝炎病毒(hepatitis E virus, HEV)、豬腺病毒(porcine adenovirus, PAdV)和牛多瘤病毒(bovine polyomavirus, BPyV)等，都可以通過水介質向環境中遷移[20-21]。表2總結了一些病毒在畜禽養殖場及周邊環境水介質中的分布情況，可以看出，受感染動物釋放的病毒不僅存在于養殖場飲用水和養殖廢水中，而且廣泛分布于鄰近的地表水和地下水中。

表2 病毒在畜禽養殖場及周邊環境水介質中的分布Table 2 Distribution of viruses in aqueous medium from livestock and poultry farms and surroundings

在集約化飼養模式下，一些病毒很容易通過飲用水傳播，并導致養殖場內部動物的嚴重感染。Fernández-Barredo等[22]在西班牙某豬場的水槽水中檢出HEV，樣本陽性率為6.2%。Castells等[20]在烏拉圭多家奶牛場的犢牛水槽水中檢出A組輪狀病毒(group A rotavirus, RV-A)，樣本陽性率為44.1%，濃度高達109copies·L-1，其中部分樣本中的RV-A表現出傳染性。

集約化畜禽養殖場通常具備不同規模的廢水儲存或處理設施，常見的有瀉湖、厭氧消化和好氧/厭氧組合工藝等。據報道，在位于巴西和加拿大等地的豬場瀉湖和廢水處理設施進出水中，HEV、PEDV、PAdV、PCV2和RV-A等病毒被檢出，樣本陽性率為37.5%～100%[23-27]。Fongaro等[26]發現液體豬糞經厭氧消化處理后，出水中PCV2的濃度仍高達1012copies·L-1，且傳染性沒有明顯降低；Viancelli等[27]從不同豬場廢水處理系統(A/O、生物消化池+穩定塘)采集出水，結果有60%的樣本呈PCV2陽性，且所有陽性樣本均能在體外感染ST細胞，具有傳染風險?？梢?，常見的養殖廢水處理工藝并不能有效去除病毒，未能有效阻斷病毒向環境傳播的風險。

養殖場鄰近地表水和地下水可能會受到病毒污染，進而成為疾病傳播的媒介。據報道，在美國、巴西等地的養殖場鄰近地表水和地下水中，BPyV、PAdV、PCV2、HEV和RV-A等病毒的陽性率為0.6%～45.0%[20-21,28-30]，其中Garcia等[28]在巴西豬場鄰近的地表水中檢測到PCV2的濃度高達108copies·L-1。鄰近地表水和地下水中的病毒可能來源于畜禽養殖廢水的直接排放[31]，也可能來源于畜禽糞肥的施用，即施用于農田的糞肥可能會在降水或農田灌溉期間釋放出病毒，并隨地表徑流或滲流遷移至地表水或地下水中[32]。Givens等[30]在農田施用豬糞1～3個月后，觀察到鄰近地表水中HEV的檢出率和濃度顯著增加，施肥后地表水樣本中HEV的檢出率增加50%，其濃度也比施肥前增加了1～2個數量級；Krog等[33]發現農田施用豬糞后的第1天，HEV、PCV2和RV-A等病毒通過土壤浸出并進入排水溝，施用豬糞2個月后，在測試場地下3.5 m深的監測井中檢測到RV-A。畜禽糞便的泄漏事件也可能導致鄰近地表水的污染。Haack等[34]在距離豬糞泄漏入口點的河流下游5.6 km處檢測到PAdV和豬捷申病毒(porcine teschovirus, PTV)。

2.2 傳播影響因素(Influencing factors on virus transmission)

病毒在水介質中的傳播與水溫、pH、鹽度和微生物等因素有關。低溫更有利于病毒在水中的存活。Corsi等[35]對美國密爾沃基河流域3條溪流的樣品進行了病毒檢測，發現牛輪狀病毒(bovine rotavirus, BRV)、牛病毒性腹瀉病毒1型(bovine viral diarrhea virus type 1, BVDV1)和BPyV在寒冷月份的總檢出率為49%，樣本平均病毒濃度為4.8 copies·L-1，在溫暖月份的總檢出率為30%，樣本平均病毒濃度為1.7 copies·L-1，病毒濃度最高的樣本來自12月和1月。除低溫外，微堿性和低鹽度條件也有利于水中病毒的存活和傳播。Brown等[36]在實驗室模擬條件下考察了12種野生禽類源AIV在不同溫度、pH和鹽度水體中的傳染性，發現大多數AIV在較低溫度(4～17 ℃)、微堿性(pH：7.4～8.2)和較低鹽度(0～20 000 mg·L-1)條件下相對穩定，而在高溫(> 32 ℃)、酸性(pH < 6.6)和高鹽度(> 25 000 mg·L-1)條件下，其保持傳染性的時間大大縮短。此外，水中微生物的存在也是影響病毒存活的因素之一。Zhang等[37]研究了2種AIV毒株(H5N1和H9N2)在實際淡水和咸水水樣中的存活情況，結果顯示，水中微生物的存在不利于病毒在淡水(洞庭湖、鄱陽湖和長江)中的存活，淡水水樣經0.22 μm膜過濾后，病毒存活時間均明顯延長，如H9N2病毒在16 ℃/未過濾和16 ℃/過濾的鄱陽湖水樣中保持傳染性的時間分別為16 d和23 d，但咸水水樣(青海湖)經過濾后，病毒存活時間無明顯變化，如H9N2病毒在16 ℃/未過濾和16 ℃/過濾的青海湖水樣中保持傳染性的時間均為13 d，這可能與青海湖水中較低的微生物含量有關。

病毒在水體中的傳播也與河流水文因素有關。由降水或融雪引起的河流徑流量增加可能會影響病毒的傳播，一方面，污染源可能會被河水稀釋，導致病毒濃度降低；另一方面，病毒的傳播速度加快，沉淀或失活的可能性降低[35]。

3 病毒在畜禽糞便及土壤中的分布與傳播(Distribution and transmission of viruses in animal feces and soil)

3.1 病毒的分布(Distribution of viruses)

畜禽糞便中可能含有多類病毒，如星狀病毒(astrovirus, AstV)、HEV和RV等[38]，土壤是畜禽糞便的重要消納場所，則病毒可能會隨著畜禽糞便的處理處置而向土壤中傳播。表3總結了一些病毒在畜禽糞便及養殖場鄰近土壤中的分布情況，可以看出，受感染動物釋放的病毒廣泛存在于糞便和鄰近土壤中。

畜禽糞便中的病毒檢出率及濃度通常較高。研究發現，畜禽糞便中AstV、HEV、RV-A、PRRSV和PAdV等病毒的陽性率為4.1%～88.9%[22-23,38-44]，其中傳染性PRRSV占陽性樣本的11.7%[41]，此外不同飼養階段動物糞便中的病毒陽性率存在差別[22]。Kanai等[45]發現日本感染戊型肝炎的家豬糞便中HEV濃度高達106copies·g-1，Hundesa等[42]發現西班牙豬糞樣本中PAdV的平均濃度達105copies·g-1。由于畜禽糞肥的施用或運輸過程中的泄漏，養殖場附近的土壤也可能會受到污染。涂攀[44]從我國湖北的18個豬場采集了土壤樣本，發現有15.2%的樣本檢出豬細小病毒(porcine parvovirus, PPV)陽性。此外，畜禽糞肥釋放的病毒還會在土壤中保持較長時間的傳染性，如Fongaro等[46]發現在23 ℃下施用豬糞土壤中的PAdV和RV-A的失活時間均在60 d左右。

3.2 傳播影響因素(Influencing factors on virus transmission)

病毒在畜禽糞便和土壤等介質中的傳播與溫度、含水量、pH和微生物等因素有關。低溫條件更有利于畜禽糞便中病毒的存活和傳播。Linhares等[47]發現隨著溫度的升高，豬糞中PRRSV的傳染性呈指數下降。B?tner和Belsham[48]發現在55 ℃的厭氧條件下，豬糞漿中的FMDV僅需40 min就完全失活，而在5 ℃的厭氧條件下，FMDV的存活時間可長達14周。除低溫條件外，潮濕、微堿性pH的土壤也有利于病毒的存活。王秋英[49]發現病毒在飽和土壤中的存活率大于在非飽和土壤(50%含水量)中的存活率，病毒在微堿性的沙性潮土(pH=8.05)中的存活時間長于在酸性紅壤土中的存活時間。土壤微生物也可能會影響病毒在土壤中的存活。Zhao等[50]發現細菌分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)顯著影響紅壤土對病毒的去除效果，EPS使紅壤土對病毒的去除率降低20%～69%。

4 養殖場病毒傳播風險控制(Risk control of virus transmission in farms)

4.1 通風及空氣過濾(Ventilation and air filtration)

通風可以快速稀釋氣溶膠，減少有害微生物和粉塵，有助于防止病毒氣溶膠在畜禽舍內的傳播。目前，負壓通風系統應用較多，其具有結構較簡單、投資和管理成本較低等特點[51]，可作為病毒氣溶膠傳播防控的輔助手段?？諝膺^濾可通過物理截留作用防止病毒氣溶膠的進一步擴散。Pitkin等[18]將一種兩級空氣過濾系統結合負壓通風應用于養豬生產區域模型，其第一階段包括6個玻璃纖維預過濾器，能捕獲約20%的直徑3～10 μm的顆粒，第二階段包括6個折疊式V字型玻璃纖維過濾器，能捕獲約95%的直徑0.3～1.0 μm的顆粒，結果顯示，安裝該空氣過濾系統可使區域內豬感染PRRSV的概率從2.8%降至0。

4.2 養殖廢水處理(Livestock and poultry breeding wastewater treatment)

在傳統畜禽養殖廢水處理工藝之外，補充引入對病毒去除更為有效的處理技術可有效降低病毒通過水介質向環境傳播的風險。Schmitz等[52]發現高級Bardenpho工藝對病毒的去除效率比傳統生物工藝(如活性污泥、生物滴濾塔等)高，經Bardenpho工藝處理后廢水中的諾如病毒、腸道病毒、腺病毒和RV-A等11種病毒的平均濃度降低了1.3～3.5 logs。在生物處理段后引入消毒工藝是消除病毒的有效手段。以紫外消毒為例，研究表明，當紫外光的波長為220 nm、劑量為22.5 mJ·cm-2時，污水中RV的失活率可達5.0 logs[53]。

表3 病毒在畜禽糞便及鄰近土壤中的分布Table 3 Distribution of viruses in livestock and poultry manure and adjacent soil medium

4.3 畜禽糞便處理(Animal feces treatment)

好氧堆肥是畜禽糞便處理的重要方式，采用適宜的堆肥工藝參數能有效降低糞便堆肥產品中的病毒含量，防止病毒通過糞便資源化途徑向農田土壤中傳播。Guan等[54]通過堆肥試驗證明，堆肥溫度在40～50 ℃時，AIV和NDV迅速失活，且堆肥溫度在40～60 ℃維持1～2周后，病毒RNA可完全降解。García等[55]對5家西班牙豬糞堆肥廠進行了樣品采集，其堆肥過程持續約21 d，且在初始10 d內堆體溫度可達65 ℃，該過程可有效消除堆肥原料中的HEV，表明好氧堆肥是一種消除HEV的有效方法。

5 結論與展望(Conclusion and prospect)

受感染動物釋放的病毒會在養殖場內部環境中廣泛分布和傳播，還會通過氣溶膠、畜禽廢棄物排放與利用等途徑向周圍環境擴散，造成養殖場周邊空氣、地表水和土壤等環境中的病毒污染。病毒在不同介質中的傳播受溫度、濕度等環境因素影響，也與環境介質自身的理化性質相關，總體來說，低溫、潮濕和微堿性pH的環境更有利于病毒的存活。對畜禽養殖環境中病毒的環境行為而言，以下內容還需要進一步研究：(1)現有報道多針對畜禽養殖場氣溶膠、廢水或糞便某一介質中的病毒分布特征開展研究，而對于病毒的跨介質交互與傳輸過程鮮少涉及；(2)環境介質的物化特性對病毒失活行為的影響機制仍不明確，其與病毒粒子大小、病毒結構組成以及核酸類型等病毒自身特征之間的關聯尚需深入探究；(3)養殖動物是多種人畜共患病毒的宿主，畜禽養殖場極有可能是導致人類感染乃至疫情產生的重要源頭，因此進一步研究人畜共患病毒由畜禽養殖場向人居環境的傳輸軌跡與規律，對防控由動物源病毒導致的疫情風險具有重要意義。