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压舱水及沉积物中致病微生物检测和国内外监管政策初探
作者:田雯 封振 盛祝毅 岳彩霞 王耘 吴仰耘 蒋鲁岩 杨庆贵
田雯 封振 盛祝毅 岳彩霞 王耘 吴仰耘 蒋鲁岩 杨庆贵
田 雯 1 封 振 1 盛祝毅 2 岳彩霞 1 王 耘 3 吴仰耘 1 蒋鲁岩 1 * 杨庆贵 4 *
摘 要 国际航运发展依赖船舶压舱水保障航行安全,但其随意排放会对全球港口水环境生物安全造成严重影响。本文结合国内外船舶压舱水及沉积物管理法律法规,总结了近40年来我国船舶压舱水及沉积物致病微生物检测概况,并对致病微生物检测技术发展进行概述。同时,探讨船舶压舱水及沉积物监管措施和检测技术的发展方向,为口岸部门提升监管效能提供理论和数据支撑,筑牢国门生物安全防线。
关键词 船舶压舱水;致病微生物;国门生物安全
Detection of Pathogenic Microorganisms in Ballast Water and Sediment and Study of Domestic and Foreign Regulatory Policies
TIAN Wen1 FENG Zhen1 SHENG Zhu-Yi2 YUE Cai-Xia1
WANG Yun3 WU Yang-Yun1 JIANG Lu-Yan1* YANG Qing-Gui4*
Abstract International shipping development depends on the safety of ballast water of the ship, but its arbitrary emissions have become an important threat to the bio-safety of water environment in the global port. This paper summarizes the survey of the water and sediment pathogenic microorganism in China over the past 40 years, and summarizes the development of pathogenic microorganism testing technology. This paper discusses the development direction of the vessel ballast water and sediment in the future, and provides the theoretical and numerical support for the effective supervision of the port department, and promotes the scientific supervision of the water and sediment of the ship in China, and puts forward the safety line of the port of our country.
Keywords ballast water; pathogenic microorganism; national bio-security
基金项目:海关总署科研项目(2024HK042);南京海关科研项目(2025KJ18)
第一作者:田雯(1986—),女,汉族,江苏扬州人,博士,高级农艺师,主要从事压舱水及微生物检测研究工作,E-mail: 490153635@qq.com.
通信作者:蒋鲁岩(1966—),男,汉族,山东济南人,博士,研究员,主要从事食品微生物研究工作,E-mail: luckrocky@163.com
共同通信作者:杨庆贵(1977—),男,汉族,安徽肥东人,博士,主任技师,主要从事病原生物学研究工作,E-mail: yqg1995@126.com
1. 南京海关动植物与食品检测中心 南京 210019
2. 扬州海关综合技术服务中心 扬州 225009
3. 金陵科技学院 南京 211169
4. 江苏国际旅行卫生保健中心(南京海关口岸门诊部) 南京 210019
1. Animal, Plant and Food Inspection Center of Nanjing Customs, Nanjing 210019
2. Yangzhou Customs Comprehensive Technical Service Center,Yangzhou 225009
3. Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169
4. Jiangsu International Travel Health Care Center (Nanjing Customs Port Clinic), Nanjing 210019
全球90%的货物运输依靠船舶[1-2],但在船舶运输货物的过程中,每年会伴随着30~50亿t压舱水的跨境转运。据估计,全球每天有7000种生物因压舱水发生转运,包括海洋微生物和浮游动植物等[3],不仅给世界各国带来外来生物入侵问题,同时也给各国港口水域带来致病微生物的安全风险。20世纪90年代已有科学研究证明国际航行船舶压舱水中携带致病性霍乱弧菌[4-5],压舱水携带致病微生物的问题引起了全球重视。此后,陆续有学者在船舶压舱水中检测出副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)、创伤弧菌(Vibrio vulnificus)和类志贺邻单胞菌(Plesiomonas shigelloides)等致病菌[6-10]的报道。然而,近年来国内外较多研究聚焦于压舱水携带外来生物(浮游动植物)入侵问题,关于压舱水及沉积物携带致病微生物的研究较少。因此,本文基于国内外船舶压舱水监管要求和我国近40年来入境船舶压舱水致病微生物调查情况以及致病微生物检测方法的发展进行概述,以期为口岸相关部门针对船舶压舱水及沉积物的监管和监测工作提供参考。
1 国际海事组织及美国压舱水及沉积物监管进展
国际海事组织(IMO)通过了全球第一部具有约束力的压舱水管理制度的国际公约《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(以下简称《压载水公约》),其主要目的是通过对船舶压舱水的控制与管理,预防、减少和最终消除有害水生生物、动物和病原体的转运对环境、人类健康、财产和资源造成的损害。该公约于2017年9月8日正式生效,2019年1月22日起对我国生效[11]。截至2024年7月,已有90个国家加入或批准该公约[12]。2023年召开的IMO海上环境保护委员会第80届会议(MEPC 80)批准了“《压载水公约》经验积累期下公约审议计划”,公约审议周期自MEPC 80开始至2026年秋季的MEPC 85会议完成。《压载水公约》的D-2标准规定了船舶压舱水排放的存活生物指标要求(表1),国际航行船舶压舱水需达到D-2标准后,才准许在各国港口区域排放。
为应对斑马纹贻贝(Dreissena polymorpha)入侵美国五大湖区造成的生态和经济损害,美国在全球率先对船舶压舱水加以立法并施行管理,建立了一套压舱水管理体系。该体系既有适用于国际航线的相关要求,也有适用于国内航线的管理要求,对保护其生态环境、国家资源和公众健康起到了积极作用。1990年,美国颁布了《非本土水生有害生物预防与控制法案》(Non-indigenous Aquatic Nuisance Prevention and Control Act,NANPCA),赋予美国海岸警卫队(United States Coast Guard,USCG)对船舶压舱水管理的管辖权限,并要求评估所有美国港口压舱水管理的实施效果。1996年,美国颁布《国家入侵物种法》(National Invasive Species Act,NISA),继续要求实施五大湖区强制性的压舱水管理程序,并且指示USCG制定用于所有美国港口、强制要求船舶提交压舱水管理报告和实施自愿的压舱水管理程序[13],但是由于最初的自愿性实施压舱水置换要求的比例太低,效果不理想。因此,美国通过了《海岸警卫队授权法案》(Coast Guard Authorization Act,CGAA),要求船舶具备压舱水管理计划和压舱水记录簿,遵守压舱水置换的标准和处理要求,该标准和要求比《压舱水公约》更加严格。美国第一阶段的排放标准要求与《压载水公约》的D-2标准一致,第二阶段排放标准远高于《压载水公约》中的D-2标准,具体标准见表1。截至2024年,美国依然还是执行第1阶段排放标准。
2 我国压舱水及沉积物监管进展
目前,我国水污染防治、生物安全、海洋环境和卫生检疫等方面的立法中均有涉及船舶压舱水的内容,以海关和海事为主管单位。我国最早涉及船舶压舱水监管的法律是1986年审议通过的《中华人民共和国国境卫生检疫法》(以下简称《国境卫生检疫法》),《中华人民共和国国境卫生检疫法实施细则》对压舱水的管理进行了具体规范,但仅规范了对来自霍乱疫区的船舶压舱水要求申报要求和处理标准。自《国际卫生条例(2005)》实施以来,由于世界卫生组织(WHO)对霍乱、鼠疫、黄热病的传染病疫区管理方式已从固定疫区划分转向动态风险评估和针对性防控,导致《国境卫生检疫法》与《国际卫生条例(2005)》在国际航行船舶卫生检疫现场执法中存在一定的差异[13]。
2016年以后,为积极应对国际新形势,我国针对船舶压舱水及沉积物的监管立法进一步更新完善。2017年《中华人民共和国水污染防治法》进行修订,其中第59条首次明确要求进入我国内河的国际航线船舶排放压载水的,应当采用压载水处理装置或者采取其他等效措施,对压载水进行灭活等处理,禁止排放不符合规定的船舶压载水;2020年《中华人民共和国生物安全法》正式颁布,其中第23条明确规定进出境的人员、运输工具、集装箱、货物、物品、包装物和国际航行船舶压舱水排放等应当符合我国生物安全管理要求;2023年《中华人民共和国海洋环境保护法》进行修订,其中第79条明确规定船舶应当按照国家有关规定采取有效措施,对压载水和沉积物进行处理处置,严格防控引入外来有害生物。上述法律法规从国家层面明确了船舶压舱水及沉积物的管理要求。从2019年至今,有关监管部门陆续配套出台了详细的管理条例和规范。例如,2019年海事局出台《船舶压载水和沉积物管理监督管理办法(试行)》,专门针对船舶压舱水的监管提出了较为细致的管理办法;由海关总署牵头修订的《国境卫生检疫法》已于2025年1月1日正式实施,其中第30条第3项规定监督固体、液体废弃物和船舶压舱水的处理。地方管理条例也于2023年起陆续颁布。例如,《江苏省长江船舶污染防治条例》第21条规定“国际航行船舶排放压载水,应当采用压载水处理装置或者采取其他等效措施,对压载水进行灭活等处理,确保所排放压舱水满足要求,并在排放前按照规定向海事管理机构报告;禁止国际航行船舶排放不符合规定的船舶压载水。”《上海市船舶污染防治条例》第23条规定“国际航行船舶排放压载水,应当采用压舱水处理装置或者采取其他等效措施,对压载水进行灭活等处理,确保所排放压载水满足要求,并在排放前按照规定向船舶污染防治主管部门报告。”
3 我国压舱水及沉积物致病微生物检测研究进展
3.1 压舱水及沉积物致病微生物传统分离培养法检测进展
虽然《压载水公约》仅对大肠埃希氏菌、肠球菌和有毒霍乱弧菌(O1和O139)3种指示性微生物做出检测要求,但是根据国内外的研究结果显示,压舱水及沉积物中检测出大量致病微生物。如表2所示,我国最早于1980—1982年在大连港检测了来自非霍乱疫区和霍乱疫区210艘次的油轮压舱水样品401份,其中26.93%的样品检测到大肠菌群,同时检测到5份NAG菌(不凝集弧菌)[14]。黄鹏等[15]在广州港对来自境外的31份压舱水样本进行检测,发现含致病菌阳性样本20份、大肠菌群阳性样本18份。李俊成等[16]对装有境外压舱水的51艘国际航行船舶进行检测,其中9艘检测出大肠菌群。林继灿等[17]对珠海港进出境船舶进行取样检测,致病性弧菌的检出率达到86.20%,尤以溶藻弧菌(Vibrio alginolyticus)、副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)和沙鱼弧菌(Vibrio carchariae)的检出率最高。李德昕等[18]在秦皇岛港对69艘入境船舶进行取样,检出大肠菌群阳性船舶11艘次,船舶阳性率15.94%,表明压舱水中大肠菌群污染严重。贾俊涛等[19]对烟台港、日照港和青岛前湾港压舱水取样,同时也发现溶藻弧菌(V. alginolyticus)、创伤弧菌(V. vulnificus)和副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)等多种致病菌。李小洪等[20]对盐田港49份压舱水样品取样检测,发现12种致病菌,也以弧菌属(Vibrio sp.)居多。吴刚等[21]对大连某船厂的45艘国际航行船舶压载舱沉积物进行检测,共检出15种细菌,12种具有致病性,其中大肠杆菌(Escherichia coli)、霍乱弧菌(V. cholerae)和副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)检出率较高。根据文献报道,2001—2015年通过传统分离培养法从我国主要港口进境船舶压舱水及沉积物样品中检测出33种致病微生物,其中,大肠杆菌(E. coli)检出次数最多,高达6次,副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)出现5次,检出3次及以上的致病微生物种类有溶藻弧菌(V. alginolyticus)、创伤弧菌(V. vulnificus)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)、克罗杆菌(Entorobater sakazakii)、霍乱弧菌(非O1群非O139群,V. cholerae(non-O1 and non-O139)、类志贺氏邻单菌(Plesiomonas shigelloides)和河弧菌(Vibrio flurialis)等8种致病菌。具体情况见表2。
3.2 压舱水及沉积物致病微生物分子生物学检测进展
20世纪以来,随着微生物检测技术的发展,各类分子生物学检测方法逐步应用于压舱水及沉积物中致病菌微生物的检测,相较于传统的分离培养法,极大地提高了致病微生物的检出种类。李春丽等[22]利用微生物自动鉴定系统(Sherlock MIS)、16S rRNA(16S Ribosomal RNA)及限制性片段多态性(Restriction Fragment Length Ploymorphism,RFLP)技术对宁波港的进境船舶压舱水微生物展开检测研究,鉴定出压舱水中30种微生物种类。霍颖异等[26]利用PCR扩增技术对来自舟山港的压舱水中弧菌特征基因进行扩增,鉴定出霍乱弧菌(V. cholerae)、创伤弧菌(V. vulnificus)、副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)和费氏弧菌(Vibrio.fischeri)的毒力基因。随着高通量测序技术的发展,Lv等[27]利用16S rRNA技术对在江阴市某船厂修理的9艘远洋船舶压载舱沉积物进行取样检测,经过与人类致病菌数据库比对,检测到嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)和鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)等44种人类致病菌,16S rRNA技术的广泛使用大幅提高了压舱水及沉积物中致病微生物的检测种类。肖海燕[28]也利用16S rRNA技术对洋山港压舱水和沉积物中细菌群落的物种组成进行了系统分析,检测到633种微生物并且首次在压舱水中检测到极地杆菌属(Polaribacter sp.)和念珠菌属(Candida sp.)等致病微生物种类。
Nor Aishah Salleh等[29]采用16S rRNA扩增子测序技术对马来西亚Tanjung Pelepas 港国际船舶压舱水中细菌多样性和潜在致病菌进行了研究,在8个不同来源的压舱水样品中共检测到34个细菌门、305个细菌科、577个细菌属、941个细菌种类,其中包括琼氏不动杆菌(Acine tobacter junii)在内的鱼类或人类致病菌33种。但16S rRNA受限于物种分辨率低,无法准确在这种水平鉴定大部分微生物物种,这限制了压舱水及沉积物中微生物检测的准确性,无法全面反映压舱水及沉积物中的微生物多样性。
随着宏基因组测序技术的发展,该技术逐步应用于船舶压舱水及沉积物携带微生物的检测研究。例如,Hwang J等[30]对韩国釜山港水域以及美国、沙特阿拉伯、巴拿马等航线压舱水进行宏基因组测序研究,发现不同航线的病毒多样性,在来自墨西哥和沙特阿拉伯港口的压舱水中发现Pandoravirus salinus病毒。Kuchi N等[31]基于二代测序法对位于印度新芒格洛尔港(New Mangalore Port Trust,NMPT)的船舶压舱水细菌群落的变化开展了研究,检测到溶藻弧菌(V.alginolyticus)和副溶血性弧菌(V. parahaemolyticus)。Yang Min等[32]利用宏基因组二代测序对中国—澳大利亚、中国—欧洲和中国—美国航线国际船舶压舱水中的微生物进行检测,共检出34种致病微生物,包括鲁氏不动杆菌(Acinetobacter lwoffii)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)等。Xue Zhaozhao等[33]利用宏基因组二代测序技术对4条船舶压舱水和沉积物样本微生物多样性进行研究,揭示了压舱水和沉积物中隐藏着庞大规模的微生物多样性,研究检测到微生物种类14403种,其中细菌11710种、古菌829种、真菌380种、病毒790种,致病菌达422种,是目前压舱水监测中报道微生物物种最多的研究。此外,该研究还发现了鲍鱼萎缩症相关病毒(Abalone Shriveling Syndrome Associated Virus)、红细胞坏死病毒(Erythrocytic Necrosis Virus)等5种具有潜在致病性的病毒,均存在于沉积物样本中[33]。
4 结语
一直以来,我国高度重视致病生物传播等生物安全问题,目前国内外对船舶压舱水及沉积物的微生物监管要求中仅对大肠埃希氏菌、肠球菌和有毒霍乱弧菌这3种指示性微生物有排放要求,然而压舱水及沉积物中携带的其他种类致病微生物不容忽视,其中弧菌病是水产养殖业最主要的细菌性病害。一般的港口附近有较多的海产养殖场,来自世界各地的船舶每年将大量的压舱水及沉积物排放到这些港口水域中,将对我国沿海的水产养殖业产生一定影响[22]。同时,被感染弧菌的水产品对人民群众健康也有一定的威胁。因此,笔者建议开展基于航运大数据联动的船舶压舱水(泥)致病微生物对我国生物安全的风险评估,确定高风险致病菌监测名录,针对跨境船舶压舱水和沉积物携带致病微生物加强监管,在出台相关法律法规和监管条例的基础上,建议对配套的标准操作流程加快探索研究,更有效地防控压舱水及沉积物携带致病微生物的生物安全风险。
压舱水和沉积物携带致病微生物以传统分离培养法和高通量分子生物学方法为主,传统分离培养法虽检测出种类较少,但是可分离出活体菌株,且具备较完善的标准检测流程。而高通量分子生物学方法虽然可以全面评估压舱水和沉积物中致病微生物的种类,但是缺少菌株分离的实证和标准检测分析流程,精准性有待加强。而随着新型微生物快速鉴定技术的发展,如基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry,MALDI-TOF MS)的发展,可以实现致病微生物高通量和精准检测。目前MALDI-TOF MS已应用于沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、克罗诺杆菌、蜡样芽孢杆菌等食源性致病菌的快速鉴定,菌种鉴定的可信度较高[34-35]。未来可结合宏基因组和MALDI-TOF-MS菌种鉴定技术用于补充船舶压舱水(泥)活菌分离鉴定的研究,并建立可靠的压舱水(泥)菌株库,解决国际航行船舶压舱水(泥)中携带致病性微生物安全因子识别难的问题。此外,以全球航运动态跟踪网络为基础,结合压舱水外来生物资源数据库,动态评估不同国家、海域、港口的风险程度、污染程度和潜在危害[36],结合人工智能如DeepSeek引入船舶压舱水及沉积物监测预警系统中,利用大数据分析和人工智能模型,从而更好地预测和应对跨境船舶带来的生物安全风险挑战。
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表1 美国压舱水监管规定与《压载水公约》关于排放标准的对比
Table 1 The ballast water discharge standards of the United States and BWC
生物类别 | 美国第一阶段标准 | 美国第二阶段标准 | 《压载水公约》中D-2标准 |
最小尺寸大于50 μm活体生物 | <10个/m3 | <1个/m3 | <10个/m3 |
最小尺寸大于10 μm且小于50 μm活体生物 | <10个/mL | <1个/mL | <10个/mL |
异养细菌总数 | 无要求 | 病毒<104/100 mL | 无要求 |
(O1和O139) | <1 CFU/100 mL | <1 CFU/100 mL | <1 CFU/100 mL |
耐热大肠杆菌* | <250 CFU/100 mL | <126 CFU/100 mL | <250 CFU/100 mL |
肠球菌 | <100 CFU/100 mL | <33C FU/100 mL | <100 CFU/100 mL |
注: “*”表示《压载水公约》中D-2标准检测要求为大肠埃希氏菌, 美国检测要求为耐热大肠杆菌, 两者推荐检测方法有不同之处.
表2 2001—2015年我国主要港口进境船舶压舱水和沉积物中文献记载致病微生物种类
Table 2 Pathogenic microorganisms were recorded in ballast water and sediment of vessels entering major ports in China
from 2001 to 2015
编号 | 中文名 | 拉丁名 | 截获港口/时间 (年) | 累计截获次数 | 参考文献 |
1 | 简达气单胞菌 | Aermonas jandaei | 广州港/2001 | 1 | [15] |
2 | 豚鼠气单胞菌 | Aeromonas caviae | 广州港/2001 | 1 | [15] |
3 | 嗜水气单胞菌 | Aeromonas hydrophila | 广州港/2001 | 4 | [15,19-20,22] |
4 | 舒伯特气单胞菌 | Aeromonas schubertii | 广州港/2001 | 2 | [15,17] |
5 | 温和气单胞菌 | Aeromonas sobria | 广州港/2001 | 1 | [15] |
6 | 蜡样芽孢杆菌 | Bacillus cereus | 广州港/2001 | 4 | [15,22-23] |
7 | 洋葱伯克霍尔德菌 | Burkhokleria cepacia | 青岛港/2007 | 1 | [19] |
8 | 缺陷短波单孢菌 | Brevundimonas diminuta | 宁波港/2008 | 1 | [22] |
9 | 布氏柠檬酸杆菌 | Citrobacter braakii | 青岛港/2007 | 1 | [19] |
10 | 弗氏柠檬酸杆菌 | Citrobacter freundii | 青岛港/2007 | 2 | [19,22] |
11 | 致泻大肠埃希氏菌 | DiarrheagenicEscherichia coli | 秦皇岛港/2010 | 1 | [23] |
12 | 产气肠杆菌 | Enterobacter aerogenes | 青岛港/2007 | 1 | [19] |
13 | 生癌肠杆菌 | Enterobacter cancerogenus | 秦皇岛港/2010 | 1 | [23] |
14 | 克罗诺杆菌 | Entorobater sakazakii | 广州港/2001 | 3 | [15,20,23] |
15 | 大肠杆菌 | Escherichia coli | 大连港/1980 | 5 | [14-15,18-19,22-23] |
16 | 粪大肠杆菌 | Fecal coliform | 广州港/2001 | 1 | [15] |
17 | 解鸟氨酸克雷伯氏菌 | Klebsiella omithinolytica | 青岛港/2007 | 1 | [19] |
18 | 霍乱弧菌 (非O1群非O139群) | Vibrio cholerae (non-O1 and non-O139) | 珠海港/2001 | 3 | [15,17,24] |
19 | 类志贺氏邻单菌 | Plesiomonas shigelloides | 广州港/2001 | 3 | [15,17,20] |
20 | 沙门氏菌 | Salmonella sp. | 广州港/2001 | 2 | [15,23] |
21 | 志贺氏菌 | Shigella sonnei | 广州港/2001 | 2 | [15,25] |
22 | 金黄色葡萄球菌 | Staphylococcus aureus | 广州港/2001 | 2 | [15,23] |
23 | 溶藻弧菌 | Vibrio alginolyticus | 广州港/2001 | 4 | [15,17,19-20] |
24 | 沙鱼弧菌 | Vibrio carchariae | 广州港/2001 | 2 | [15,17] |
25 | 海鱼弧菌 | Vibrio damsela | 广州港/2001 | 2 | [15,20] |
26 | 河弧菌 | Vibrio flurialis | 广州港/2001 | 3 | [15,17,20] |
27 | 弗氏弧菌 | Vibrio fluvialis | 广州港/2001 | 2 | [15,17] |
28 | 哈维氏菌 | Vibrio harveyi | 宁波港/2008 | 1 | [22] |
29 | 霍利斯弧菌 | Vibrio hollisae | 广州港/2001 | 2 | [15,20] |
30 | 麦氏弧菌 | Vibrio metschnikovii | 盐田港/2010 | 1 | [20] |
31 | 拟态弧菌 | Vibrio mimicus | 广州港/2001 | 2 | [15,17] |
32 | 副溶血性弧菌 | Vibrio parahaemolyticus | 珠海港/2001 | 5 | [17,19,22-24] |
33 | 创伤弧菌 | Vibrio vulnificus | 广州港/2001 | 4 | [15,17,19-20] |