Vũ Đức Cảnh, Đại học Tokyo

Tóm tắt: Sự hiện diện của virus đường ruột trong nước ăn uống là mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, việc quan trắc virus trong nước ăn uống vẫn chưa được thực hiện ở các quốc gia trên thế giới bao gồm cả các nước phát triển. Do đó, bài viết này đánh giá về các rủi ro lây nhiễm của virus đường ruột trong nước ăn uống và khả năng loại bỏ chúng trong các công trình xử lý nước. Bên cạnh đó, bài viết cũng đưa ra các giải pháp đang được thực hiện và các thách thức trong việc quản lý an toàn chất lượng nước đối với virus gây bệnh trong nước ăn uống. Từ đó đề xuất khuyến nghị cho việc quản lý chất lượng nước ăn uống trong tương lai.

Virus đường ruột và rủi ro lây nhiễm trong nước ăn uống

Bệnh tiêu chảy là nguyên nhân dẫn đến khoảng 2.2 triệu ca tử vong mỗi năm, nằm trong nhóm 10 bệnh gây tử vong nhiều nhất thế giới (WHO 2018). Virus đường ruột là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây bệnh tiêu chảy, chỉ tính riêng rotavirus cũng gây ra hơn nửa triệu ca tử vong mỗi năm. Virus đường ruột là những virus có khả năng sinh sôi và phát triển trong ruột người và động vật. Hiện nay có khoảng trên 200 loại virus đường ruột đã được phát hiện và khoảng 140 loại trong số đó có khả năng lây nhiễm cho con người [1]. Một số loại virus đường ruột phổ biến thường hay lây nhiễm cho người là adenovirus, astrovirus, rotavirus, norovirus, enteroviruses, hepatitis A và E, sapoviruses. Ngoài việc gây bệnh viên đường ruột như tiêu chảy, virus đường ruột cũng có thể gây nhiễm trùng đường hô hấp, viêm kết mạc và một số bệnh nguy hiểm như viên gan, viêm não, viêm cơ tim [1].

Virus đường ruột được bài tiết với số lượng rất lớn trong phân người bệnh (lên tới 1011 virus/gram) và có khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường nước. Hơn nữa, virus đường ruột có khả năng gây bệnh ở nồng độ thấp chỉ từ 10-100 virus và rủi ro lây nhiễm khi tiêu thụ nước ăn uống chứa virus cao hơn so với chứa vi khuẩn từ 10 đến 10,000 lần [2]. Do đó, sự hiện diện của virus đường ruột trong nguồn nước là mối lo ngại cho sức khỏe cộng đồng. Thực tế, một số dịch bệnh liên quan đến virus đường ruột trong nước ăn uống đã được ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Phần Lan, Úc và Canada [3–5].H1

Sự hiện diện của virus đường ruột trong môi trường nước và trong nước ăn uống

Hiện nay virus đường ruột được tìm thấy ở tất cả các môi trường nước như nước thải, nước mặt (sông hồ) và nước ngầm. Trong nước thải sinh hoạt trước khi xử lý, nồng độ virus đường ruột dao động trong khoảng 103-109 copies/L và nước thải sau khi xử lý là 102-106 copies/L. Trong nguồn nước mặt, virus đường ruột thường có nồng độ khoảng 102-105 copies/L. Nồng độ trong nước ngầm thường thấp hơn khoảng < 102 copies/L [6]. Có thể thấy rằng virus đường ruột hiện diện khá phổ biến trong các môi trường nước bao gồm cả nguồn nước sử dụng để sản xuất nước ăn uống.

Gần đây, virus đường ruột cũng được phát hiện trong nước ăn uống tại một số quốc trên thế giới như chỉ ra trong Bảng 1. Các virus như adenovirus và enterovirus được phát hiện trong nước ăn uống với tần suất cao hơn so với các virus khác. Mặc dù sự hiện diện của virus đường ruột trong nước ăn uống không phổ biến và nồng độ tương đối thấp (luôn nhỏ hơn 102-104 copies/L), nhưng nó cho thấy những tiềm ẩn về lây nhiễm virus gây bệnh trong nước ăn uống.

B1

Khả năng loại bỏ virus trong các công trình xử lý nước

Các trạm xử lý nước đóng vai trò then chốt trong việc loại bỏ vi sinh vật gây bệnh và kiểm soát dịch bệnh lây lan trong cộng đồng (Hình 1). Công nghệ xử lý nước thông thường bao gồm các công trình xử lý vật lý (như lắng và lọc) và các công trình khử trùng sử dụng các chất như clo, cloramin, ozon hoặc sử dụng tia cực tím (UV). Do virus có kích thước nhỏ (20-350 nm), các công trình xử lý vật lý truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ virus. Cụ thể, công trình lắng có khả năng loại bỏ virus khoảng 0.4-2.0 log  và công trình lọc truyền thống (lọc cát nhanh) có khả năng loại bỏ khoảng khoảng -0.24-1.26 log [13,14]. Đối với với các công nghệ xử lý năng cao sử dụng màng lọc, hiệu quả loại bỏ virus đạt cao hơn, cụ thể màng siêu lọc (UF) đạt  2.8-4.0 log (Bảng 2).Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ virus có thể khác nhau giữa các loại virus do khác nhau về hình thái, điện tích, mức độ kỵ nước và kích thước.

B2

Khử trùng bằng clo, tia cực tím và ozon được sử dụng phổ biến trong các trạm xử lý nước. Tuy nhiên, khử trùng bằng clo là thông dụng nhất do có hiệu quả cao và chi phí thấp. Nồng độ virus trong nước ăn uống thường thấp, nằm dưới khoảng giá trị có thể phân tích được bằng các phương pháp phân tích virus hiện tại. Do đó, hiệu quả loại bỏ virus trong các công trình khử trùng chưa được nghiên cứu trong quy mô thực tế mà thường được đánh giá dựa vào các nghiên cứu trên quy mô phòng thí nghiệm.

Đối với khử trùng bằng clo, hiệu quả xử lý virus phụ thuộc vào nồng độ clo và thời gian tiếp xúc của clo với nước. Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US. EPA, 2006) đưa ra hướng dẫn xử lý virus bằng clo dựa vào chỉ số CT như trong Bảng 3, trong đó C là “nồng độ clo dư (mg/L) và T là “ thời gian tiếp xúc (phút). Theo đó, để đạt được hiệu quả xử lý 4 log virus (99.99%), CT cần thiết là 3 (mg.min/L) ở điều kiện nhiệt độ 20oC và pH 6-9. Khuyến cao này của EPA dựa vào kết quả nghiên cứu của Sobsey et al., 1988 thí nghiệm đối với virus hepatitis A do virus này có khả năng kháng clo hơn các chủng virus khác.  Và khuyến cáo này cũng được đưa vào sử dụng trong “Hướng dẫn chất lượng nước ăn uống về virus đường ruột” của Canada. Tuy nhiên, các chủng virus được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm thường nhậy cảm hoặc dễ bị tiêu diệt hơn so các chủng virus ngoài môi trường. Trong một nghiên cứu gần đây, enterovirus (CVB4 và CVB5) phân tách từ nước thải cho thấy chúng kháng clo hơn các chủng virus tương tự trong phòng thí nghiệm [17]. Cụ thể, CT cần thiết để tiêu diệt 4 log chủng virus này dao động từ 10-15 (mg.phut/L), cao hơn 5 lần so với khuyến cáo của EPA. Hơn nữa, đặc tính của chất lượng nước như nhiệt độ, pH, nồng độ chất hữu cơ có khả năng ảnh hưởng đến hiệu quả khử trùng bằng clo. Vì vậy cần có thêm các nghiên cứu khác đánh giá hiệu quả khử trùng của clo đối với chủng virus môi trường để có thể đưa ra các khuyên cáo chính xác hơn.

B3

Kiểm soát an toàn chất lượng nước ăn uống

Hiện nay, để kiểm soát chất lượng của nước ăn uống các chỉ tiêu vi khuẩn chỉ thị (ví dụ: E.coli và tổng coliforms) đang được theo dõi định kỳ ở các trạm xử lý nước theo quy chuẩn hiện hành của các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, các virus gây bệnh chưa được quan trắc hay đưa vào quy chuẩn do còn có nhiều hạn chế trong các phương pháp phân tích virus hiện tại cũng như chi phí phân tích cao.

Để kiểm soát an toàn chất lượng nước ăn uống, phương pháp đánh giá rủi ro vi sinh định lượng (quantitative microbial risk assessment-QMRA) đang được áp dụng ở một số quốc gia như Mỹ, Canada và Hà Lan  [19].  Theo phương pháp này, các trạm xử lý nước ăn uống cần loại bỏ tối thiểu 4 log virus (99.99%) để đảm bảo mức độ an toàn cho sức khỏe cộng đồng (rủi ro lây nhiễm 1×10-4 người/ năm). Tuy nhiên, tính toán này dựa vào nồng độ virus trong nguồn nước là 1 virus/100 L. Mức độ loại bỏ virus phụ thuộc vào nồng độ của virus có trong nguồn nước và được chỉ ra trong Bảng 4. Trên thực tế các nguồn nước sử dụng bao gồm cả nước ngầm thường có nồng độ virus cao hơn 1 virus/100L do vậy mà các trạm xử lý nước ăn uống thông thường sẽ cần phải đạt khả năng loại bỏ virus cao hơn mức độ tối thiểu (4 log).

B4

Thách thức trong việc quản lý virus gây bệnh lây lan trong nước ăn uống

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc quản lý an toàn nước ăn uống liên quan đến virus gây bệnh là sự hạn chế của các phương pháp phân tích virus. Để có thể quan trắc định kỳ virus trong nước ăn uống, các phương pháp phân tích cần phải đáp ứng yêu cầu về 1) thời gian đưa ra kết quả và 2) độ tin cậy. Các phương pháp phân tích phổ biến hiện tại như phương pháp nuôi cấy và khuếch đại gen (qPCR) đều không đáp ứng được 2 yêu cầu trên. Cụ thể, phương pháp nuôi cấy có độ tin cậy cao khi chỉ phát hiện các virus hoạt tính (virus có khả năng gây bệnh), tuy nhiên thời gian để đưa ra kết quả của phương pháp này có thể kéo dài vài ngày hoặc vài tuần tùy thuộc vào từng loại virus. Hơn nữa, có nhiều loại virus không thể phân tích được bằng phương pháp này do không có dòng tế bào phù hợp (cell line), điển hình là norovirus. Đối với phương pháp qPCR, phương pháp này có khả năng phân tích được tất cả các loại virus khi biết bộ gene trong thời gian ngắn (khoảng 2 tiếng) với độ nhạy cao. Tuy nhiên, phương pháp này có có độ tin cậy thấp khi không phân biệt được giữa virus hoạt tính và mất hoạt tính. Gần đây, một số phương pháp phân tích khác dựa trên cách tiếp cận của phương pháp nuôi cấy và phương pháp qPCR đang được phát triển để phân tích các virus hoạt tính với thời gian ngắn như messenger qPCR, viability qPCR, molecular beacon qPCR, enzymatic qPCR [20,21]. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn còn có nhiều hạn chế, đặc biệt khi áp dụng cho các mẫu nước thực tế.

Bên cạnh đó, việc quan trắc định kỳ virus trong nước ăn uống cũng gặp phải nhiều khó khăn khi chưa tìm ra được virus chỉ thị cho các virus gây bệnh lây lan qua đường nước. Virus chỉ thị là những virus mà sự hiện diện và vắng mặt của nó phản ánh được sự hiện diện và vắng mặt của các virus rút gây bệnh khác. Hiện nay, để đảm bảo an toàn chất lượng nước liên quan đến vi sinh vật gây bệnh, việc quan trắc định kỳ các vi khuẩn chỉ thị như (E.coli và coliform tổng) đang thực hiện ở các trạm xử lý nước. Tuy nhiên, virus có kích thước nhỏ và có khả năng kháng lại các chất khử trùng (như clo) cao hơn vi khuẩn chỉ thị [1]. Do đó, sử dụng các vi khuẩn chỉ thị này không đánh giá được sự hiện diện của virus trong nước ăn uống. Nhiều loại virus đã được nghiên cứu và đề xuất làm virus chỉ thị cho các virus đường ruột trong môi trường nước như như norovirus, adenovirus, enterovirus, Achivirus và gần đây hơn là pepper mild mottle virus (PMMoV) và Crassphage. Mặc dù những virus này thường được phát hiện với nồng độ cao trong phân người và nước thải sinh hoạt nhưng trong nhiều trường hợp sự hiện diện của chúng không phản ánh được sự hiện diện của các virus đường ruột khác [22,23]. Hơn nữa, liệu rằng những virus này có thể làm virus chỉ thị trong nước ăn uống cũng chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Để làm virus chỉ thị cho nước ăn uống, ngoài việc hiện diện với nồng độ cao trong môi trường nước, virus này cần tồn tại lâu dài hơn và khó bị loải bỏ hơn các virus khác trong quá trình xử lý nước bao gồm cả xử lý vật lý và khử trùng.

Kết luận

Virus gây bệnh trong nguồn nước thường được loại bỏ một các hiệu quả thông qua các quá trình xử lý như lắng lọc và đặc biệt khử trùng trong các trạm xử lý nước ăn uống. Tuy nhiên, virus gây bệnh vẫn có khả năng hiện diện trong nước ăn uống sau khi xử lý mặc dù không phổ biến. Điều này chứng tỏ rủi ro về lây nhiễm của virus qua nước ăn uống vẫn có khả năng xảy ra. Do vậy, virus gây bệnh nên được xem xét đưa vào quy chuẩn chất lượng nước ăn uống để kiểm soát trong tương lai, đặc biệt ở những nơi cung cấp nước uống trực tiếp tại vòi. Bên cạnh đó, cũng cần có thêm nhiều nghiên cứu về phát triển các phương pháp phân tích virus với độ tin cậy cao trong thời gian ngắn và tìm ra virus chỉ thị có độ tin cậy cao nhằm hỗ trợ quá trình quản lý và kiểm soát lây nhiễm virus gây bệnh trong nước ăn uống.

Tài liệu tham khảo

[1]           T.-T. Fong, E.K. Lipp, Enteric viruses of humans and animals in aquatic environments: Health risks, detection, and potential water quality assessment tools, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 69 (2005) 357–371. doi:10.1128/MMBR.69.2.357.

[2]           C.N. Haas, J.B. Rose, C. Gerba, S. Regli, Risk Assessment of Virus in Drinking Water, Risk Anal. 13 (1993) 545–552. doi:10.1111/j.1539-6924.1993.tb00013.x.

[3]           M. Kukkula, L. Maunula, E. Silvennoinen, C.H. von Bonsdorff, Outbreak of viral gastroenteritis due to drinking water contaminated by Norwalk-like viruses., J. Infect. Dis. 180 (1999) 1771–1776. doi:10.1086/315145.

[4]           G.F. Craun, J.M. Brunkard, J.S. Yoder, V.A. Roberts, J. Carpenter, T. Wade, R.L. Calderon, J.M. Roberts, M.J. Beach, S.L. Roy, Causes of outbreaks associated with drinking water in the United States from 1971 to 2006, Clin. Microbiol. Rev. 23 (2010) 507–528. doi:10.1128/CMR.00077-09.

[5]           W. Pons, I. Young, J. Truong, A. Jones-Bitton, S. McEwen, K. Pintar, A. Papadopoulos, A systematic review of waterborne disease outbreaks associated with small non-community drinking water systems in Canada and the United States, PLoS One. 10 (2015) 1–17. doi:10.1371/journal.pone.0141646.

[6]           E. Haramoto, M. Kitajima, A. Hata, J.R. Torrey, Y. Masago, D. Sano, H. Katayama, A review on recent progress in the detection methods and prevalence of human enteric viruses in water, Water Res. 135 (2018) 168–186. doi:10.1016/j.watres.2018.02.004.

[7]           M. Kluge, J.D. Fleck, M.C. Soliman, R.B. Luz, R.B. Fabres, J. Comerlato, J.V.S. Silva, R. Staggemeier, A.D. Vecchia, R. Capalonga, A.B. Oliveira, A. Henzel, C. Rigotto, F.R. Spilki, Human adenovirus ( HAdV ), human enterovirus ( hEV ), and genogroup A rotavirus ( GARV ) in tap water in southern Brazil, J. Water Health. 12 (2014) 526–533. doi:10.2166/wh.2014.202.

[8]           X. Yan, Y. Xing, M. Yong, L. Zhang, Real-Time PCR Detection of Enteric Viruses in Source Water and Treated Drinking Water in Wuhan , China, Curr. Microbiol. 65 (2012) 244–253. doi:10.1007/s00284-012-0152-1.

[9]           K.E. Gibson, M.C. Opryszko, J.T. Schissler, Y. Guo, K.J. Schwab, Evaluation of Human Enteric Viruses in Surface Water and Drinking Water Resources in Southern Ghana, 84 (2011) 20–29. doi:10.4269/ajtmh.2011.10-0389.

[10]        B. Prevost, M. Goulet, F.S. Lucas, M. Joyeux, L. Moulin, S. Wurtzer, Viral persistence in surface and drinking water : Suitability of PCR pre-treatment with intercalating dyes, Water Res. 91 (2016) 68–76. doi:10.1016/j.watres.2015.12.049.

[11]        E. Haramoto, H. Katayama, S. Ohgaki, Detection of Noroviruses in Tap Water in Japan by Means of a New Method for Concentrating Enteric Viruses in Large Volumes of Freshwater, Appl. Environ. Microbiol. 70 (2004) 2154–2160. doi:10.1128/AEM.70.4.2154.

[12]        H. Wang, I. Kjellberg, P. Sikora, H. Rydberg, M. Lindh, Hepatitis E virus genotype 3 strains and a plethora of other viruses detected in raw and still in tap water, Water Res. 168 (2020) 1–9. doi:10.1016/j.watres.2019.115141.

[13]        R. Kato, T. Asami, E. Utagawa, H. Furumai, H. Katayama, Pepper mild mottle virus as a process indicator at drinking water treatment plants employing coagulation-sedimentation , rapid sand fi ltration , ozonation , and biological activated carbon treatments in Japan, Water Res. 132 (2018) 61–70. doi:10.1016/j.watres.2017.12.068.

[14]        T. Asami, H. Katayama, J.R. Torrey, C. Visvanathan, H. Furumai, Evaluation of virus removal efficiency of coagulation-sedimentation and rapid sand filtration processes in a drinking water treatment plant in Bangkok, Thailand, Water Res. 101 (2016) 84–94. doi:10.1016/j.watres.2016.05.012.

[15]        W. Hijnen, E.W. Company, J. Schijven, G. Medema, Elimination of viruses, bacteria and protozoan oocysts by slow sand filtration, Water Sci. Technol. 50 (2004) 147–154.

[16]        M.T. Yahya, C.B. Cluff, C.P. Gerba, Virus Removal by Slow Sand Filtration and Nanofiltration, Water Sci. Technol. 27 (1993) 445–448. doi:10.1002/j.1551-8833.1990.tb07067.x.

[17]        S. Meister, M.E. Verbyla, M. Klinger, T. Kohn, Variability in Disinfection Resistance between Currently Circulating Enterovirus B Serotypes and Strains, Enviromental Sci. Technol. 52 (2018) 3696–3705. doi:10.1021/acs.est.8b00851.

[18]        M.D. Sobsey, T. Fuji, P.A. Shields, Inactivation of Hepatitis a Water By Free Chlorine and, Water Sci. Technol. 20 (1988) 385–391.

[19]        P.W.M.H. Smeets, L.C. Rietveld, J.C. Van Dijk, G.J. Medema, Practical applications of quantitative microbial risk assessment (QMRA) for water safety plans, Water Sci. Technol. 61 (2010) 1561–1568. doi:10.2166/wst.2010.839.

[20]        V.D. Canh, I. Kasuga, H. Furumai, H. Katayama, Viability RT-qPCR Combined with Sodium Deoxycholate Pre-treatment for Selective Quantification of Infectious Viruses in Drinking Water, Food Environ. Virol. 11 (2019) 40–51. doi:10.1007/s12560-019-09368-2.

[21]        C.P. Gerba, W.Q. Betancourt, Assessing the Occurrence of Waterborne Viruses in Reuse Systems : Analytical Limits and Needs, Pathog. (Basel, Switzerland). 8 (2019) 1–12.

[22]        E.M. Symonds, K.H. Nguyen, V.J. Harwood, M. Breitbart, Pepper mild mottle virus: A plant pathogen with a greater purpose in (waste)water treatment development and public health management, Water Res. 144 (2018) 1–12. doi:10.1016/j.watres.2018.06.066.

[23]        M. Kitajima, H.P. Sassi, J.R. Torrey, Pepper mild mottle virus as a water quality indicator, Npj Clean Water. 19 (2018) 1–9. doi:10.1038/s41545-018-0019-5.

[24]        I.A. Hamza, L. Jurzik, K. Überla, M. Wilhelm, Methods to detect infectious human enteric viruses in environmental water samples, Int. J. Hyg. Environ. Health. 214 (2011) 424–436. doi:10.1016/j.ijheh.2011.07.014.