基于文献计量学的环境领域病毒研究现状分析

2021-11-24李中浤张列宇许秋瑾李国文李曹乐黎佳茜李晓光陈素华

环境工程技术学报 2021年6期

李中浤，张列宇，许秋瑾，李国文，李曹乐，黎佳茜，李晓光，陈素华

1.南昌航空大学环境与化学工程学院2.国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，中国环境科学研究院3.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

病毒是一类由一个核酸分子(DNA或RNA)和蛋白质组成的有机物种，是世界上数量最多的生物，病毒可以利用宿主细胞进行自我复制[1]。病毒从临床病人或其他宿主(动物、植物)进入环境，虽然不会在宿主以外的环境中进行复制，但容易进入易感宿主[2]。如人肠道致病性病毒可通过感染者排泄废物进入水环境中，其在水环境中很容易传播，且易吸附在水中的沉积物中被水生生物吸收[3]，并通过粪—口传播，再次回到人体中，导致疾病爆发。受病毒污染的食物也可能导致疾病爆发[4]。病毒在物体表面、粪便、尿液、水、气溶胶中能存活数小时甚至数十天[5]。21世纪初以来，动物和人类流动性极速增加，加剧了呼吸道和肠道病毒的传播，也加快了病毒在环境中传播的速度。病毒的传播不仅取决于其与宿主的相互作用，还取决于其与宿主外部环境的相互作用[6]。病毒与环境介质之间存在复杂的交互作用关系，环境介质既是病毒传播的重要载体，又是疫情防控产生次生环境风险和生态损伤的主要受体，目前在气溶胶[7]、城市废水[8]、土壤[9]、地下水[10]和海水[11]等环境介质中均检测出多种与人类密切相关的病毒，严重威胁到人类健康。已有文献研究了环境参数(如温度、湿度、阳光/辐射和污染)对空气传播[12]、介水传播[13]的传染性生物体(病毒、细菌和真菌)生存的影响。目前，环境领域病毒相关的研究报道较多，但鲜有从研究方向、研究领域和研究热点等角度对已有文献进行量化分析的报道，随着环境领域病毒研究的论文数量逐年增加，有必要采用文献计量的方法对已有研究进行统计分析，系统地揭示环境领域病毒研究的现状、研究热点及趋势。

文献计量学是基于文献学、信息科学、数学和统计学的多学科交叉学科[14]。文献计量学通过对现有文献的定量统计分析，识别文献发表的地域分布特征，如出版物、研究人员和研究机构的地域分布特征，为研究者提供一个全面的学科发展全景和可能的发展趋势[15]。笔者基于Web of ScienceTM核心合集数据库(WoS)，利用HistCite Pro软件和VOSviewer软件，对2000—2020年发表的环境领域病毒研究文献进行计量分析，以期为更好地了解环境领域病毒研究的研究进展和未来研究方向提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

在Web of ScienceTM核心合集数据库中进行检索，该数据库收录了全世界最重要和最有影响力的研究文献，是公认的世界上最重要的文献检索平台[16]。检索时间段为2000年1月1日—2020年12月31日，检索时间为2021年2月14日，检索内容：主题=(virus*)，文献类型=article，Web of Science类别为Engineering Environmental或Environmental Sciences或Water Resources或Soil Sciences或Meteorology Atmospheric Sciences。在Web of ScienceTM核心合集数据库中检索到发表于2000—2020年的环境工程领域病毒研究文献 5 481 篇，经过人工筛选，去除不相关和相关性较小的文献，共获得 3 389 篇文献。

1.2 研究方法

运用Excel 2016、HistCite Pro、VOSviewer软件，系统分析2000—2020年Web of ScienceTM核心合集数据库中收录的关于环境领域病毒研究工作的进展情况，从发文量、发文国家/地区、发文机构、载文期刊、作者群体、高被引文献及关键词等方面进行计量分析[17-18]。本地引用次数(local citation score，LCS)表示某篇文献在当前数据集中被引用的次数，本地总引用次数(total local citation score，TLCS)表示某篇文献被导入到HistCite Pro软件中进行分析的所有文献所引用的次数，总引用次数(total global citation score，TGCS)表示某篇文献被Web of Science核心合集数据库中的文献所引用的次数，这3项指标是HistCite Pro软件中重要的参数，可帮助学者快速定位相关研究领域的重要作者、重要期刊和重要机构等。相比而言，TLCS相较TGCS更重要，TLCS高的文献一般是有重要的新发现或新解释，极有可能是领域内的开创性文章。

采用HistCite Pro软件、VOSviewer软件进行数据分析时，将导入的文献中具有相同或相近含义的词或词组统一合并成为1个关键词，如virus代表viruses等，waste water代表waste waters、waste-water、wastewater等，drinking water代表drinking-water等，norovirus代表noroviruses、norowalk virus和norwalk virus等。

2 结果与分析

2.1 发文量

发文量可以直接反映环境领域病毒研究的活跃程度。2000—2020年环境领域病毒研究的发文量如图1所示。由图1可知，2000—2020年环境领域病毒研究的发文量总体呈增加趋势，从2000年的43篇增至2020年的402篇。其中，2000—2019年发文量以10篇/a的速度增长，2020年发文量出现较大增长，相较2019年增加了147篇，远超2000—2020年的平均增长速度，这可能与2019年底发生的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)有关。

图1 2000—2020年环境领域病毒研究发文量Fig.1 Number of published papers of virus research in the environmental field from 2000 to 2020

自2009年以来，共计发生6次国际关注的公共卫生紧急事件，分别是2009年的H1N1流感大流行、2014年的脊髓灰质炎疫情、2014年的西非埃博拉疫情、2015—2016年的寨卡病毒疫情、2018—2019年的刚果埃博拉疫情及2019年底发生的新型冠状病毒肺炎。公共卫生紧急事件推动了环境领域病毒研究的进展，学者开始更多地关注病毒在气溶胶、水等介质中的传播性及其在环境中的生存能力，以及病毒与环境介质之间交互作用的机理。

2.2 发文国家

2000—2020年发文量排名前10的国家如表1所示。由表1可知，美国的发文量位居榜首，达 1 207 篇，远超其他国家，且篇均被引频次也高于其他国家，达到25.81，说明美国在该领域有很强的影响力。中国发文量位居第二，达338篇，但篇均被引频次仅高于10个国家中的巴西，说明论文影响力有待进一步提升。除美国和中国外，发文量排名前10的国家发文量均为100多篇。

表1 2000—2020年环境领域病毒研究发文量排名前10的国家Table 1 Top10 countries in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

注：图中圆圈和标签的大小代表发文量，连线代表合作情况，连线越粗说明合作越紧密。图2 2000—2020年各国在环境领域病毒研究的合作关系Fig.2 Cooperation among countries in virus research in the environmental field in 2000-2020

基于VOSviewer可视化分析软件统计结果，2000—2020年中国及世界各国之间环境领域病毒研究的合作关系如图2所示。

由图2可知，各国家间合作密切，共同致力于环境领域病毒研究，其中与中国合作密切的国家主要为美国、日本和加拿大等。

2.3 研究机构

2000—2020年发表的环境领域病毒研究文献共涉及 3 554 个机构，发文量排名前10的研究机构如表2所示。由表2可知，排名前10的研究机构中美国占50%左右，分别为亚利桑那大学(University Arizona)、美国国家环境保护局(US EPA)、美国地质调查局(US Geology Survey)、北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)和伊利诺依州大学(University of Illinois)。西班牙、中国、意大利各有1家研究机构发文量排在前10位。美国亚利桑那大学发文量为96篇，远高于第2名的巴塞罗那大学(68篇)和第3名的美国国家环境保护局(63篇)，但篇均被引频次仅有23.40，在排名前10的研究机构中排在第6位。中国科学院是唯一进入排名前10的中国研究机构，发文量为57篇，均篇被引频次较低(17.37)，说明尚需进一步提升影响力。图3表示环境领域病毒研究重要研究机构之间的合作关系。由图3可以看出，中国科学院与澳大利亚格里菲斯大学、美国约翰霍普金斯大学和犹他大学、日本名古屋大学等机构存在较为紧密的合作关系。

表2 2000—2020年环境领域病毒相关研究发文量排名前10的研究机构Table 2 Top10 research institutions in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

注：图中圆圈和标签的大小代表发文量，连线代表合作情况，连线越粗说明合作越紧密。图3 2000—2020年环境领域病毒相关研究重要机构之间的合作关系Fig.3 Cooperation among major research institutions in virus research in the environmental field from 2000 to 2020

2.4 发文期刊

对某一研究领域文献的来源期刊进行分析，可确定该领域来源期刊中的核心期刊。2000—2020年环境领域病毒研究发文量排名前10的期刊如表3 所示。由表3可知，该领域发文期刊共有328家，发文量排名前3的期刊分别是WaterResearch、FoodandEnvironmentalVirology和EnvironmentalScience&Technology，发文量分别为354、310和208篇，本地总引用次数分别为 2 781、731和 1 442，总引用次数分别为 14 846、3 811 和 8 557，均排名前3，说明这3家期刊在该领域影响力较大。

表3 2000—2020年环境领域病毒研究发文量排名前10的期刊Table 3 Top10 journals in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

2.5 发文作者

通过对某一领域研究作者发文数量、文献被引频次分析，可以发现该研究领域的高产出及重要作者[19]。环境领域病毒研究文献共涉及11 990位作者，发文量排名前10的作者如表4所示。按本地总引用次数排序，日本学者Katayama H排名第1，其次为日本学者Haramoto E，美国学者Gerba C P排名第3。按总引用次数排序，排名前3的作者分别为美国学者Gerba C P、Sobsey M D和瑞士学者Kohn T。

表4 2000—2020年环境领域病毒研究发文量排名前10的作者及发文相关指标Table 4 Top10 authors in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

2.6 高被引文献

环境领域病毒研究排名前10的高被引文献如表5所示。由表5可知，按本地引用次数排序，日本学者Katayama H发表的One-year monthly quantitative survey of noroviruses, enteroviruses and adenoviruses in wastewater collected from six plants in Japan和Relative abundance and treatment reduction of viruses during wastewater treatment processes - identification of potential viral indicators分别处于高被引文献前2位。污水处理系统是监测介水传播人体肠道病原体的重要节点，对于了解病毒在污水处理系统的分布特征及环境风险评估非常重要[20]。被引频次排名前2的文献通过对污水处理厂中病毒、腺病毒等典型肠道病毒赋存、相对丰度和削减效果的研究，提出将病毒去除效果作为评估污水处理效果的潜在指标，其被引频次高说明学者对水环境中尤其是污水中的病毒及其去除效果关注度较高。

表5 2000—2020年环境领域病毒研究领域排名前10的高被引文献Table 5 Top10 highly cited papers in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

排名前10的高被引文献中有4篇发表于WaterResearch，其余6篇分别发表于ScienceoftheTotalEnvironment、JournalofContaminantHydrology、EnvironmentalScience&Technology、WaterScienceandTechnology、WaterResourcesResearch和JournalAmericanWaterWorksAssociation上。排名前10的高被引文献中有6篇关注污水处理系统中病毒的检测及环境风险评估，涉及的病毒包括诺如病毒、腺病毒、肠道病毒等常见介水传播病毒，与检索主题词具有很强相关性。其余4篇高被引文献覆盖了污水处理系统对病毒的去除效果、病毒在自然环境的生存和传播能力以及地下水中病毒的赋存状态和自然条件对病毒的影响研究，说明学者对病毒在环境中赋存状态、生存能力、传播能力和健康风险等问题比较关注。

2.7 研究热点

通过分析文献的关键词可以揭示环境领域病毒研究的特点和发展趋势[21]。2000—2020年环境领域病毒研究高频关键词如表6所示。由表6可知，关键词病毒(virus)、肠道病毒(enteric viruses)、灭活(inactivation)出现的频次最高，分别达到795、475和371次。由环境领域病毒研究的热点分布(图4)可知，环境领域病毒研究多集中在水环境领域，包括饮用水(drinking water)、废水(waste water)、地下水(groundwater)、地表水(surface water)等；主要研究的病毒是诺如病毒(norovirus)、肠道病毒(enteric viruses)、甲肝病毒(hepatitis-a virus)、腺病毒(human adenoviruses)、脊髓灰质炎病毒(poliovirus)、轮状病毒(rotavirus)等，这几类病毒都是常见的介水传播病毒[22]。对废水中超过100种已经确认为污染物的病毒全部进行检测是不合理的[23]，crAssphage[24]和胡椒斑驳病毒(PMMoV)[25]

表6 2000—2020年环境领域病毒研究高频关键词Table 6 High-frequency keywords of virus research in the environmental field in 2000-2020

图4 2000—2020年环境领域病毒研究的热点分布Fig.4 Hotspot distribution of virus research in the environmental field in 2000-2020

等作为病毒指示性指标，用于评估废水中病毒污染、病毒衰减及病毒在废水中的传播，有着非常好的应用前景。

此外，灭活(inactivation)、消毒(disinfection)等关键词出现的频次也较高。环境中病毒消毒灭活非常重要，尤其是饮用水消毒，而饮用水消毒又涉及多种消毒方法，包括游离氯消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、活性炭消毒和超声波消毒[26]等。此外，各种消毒剂的灭活机制决定了各消毒剂的灭活作用位点与影响因素，但目前对各消毒剂灭活机制的认识还非常有限[27]，对消毒副产物的环境风险认识也并不清晰。消毒措施对病毒的灭活机制及消毒副产物的环境风险也将是环境领域病毒的研究热点之一。

关键词去除(removal)出现的频次也较高(343次)。介水传播肠道病毒是新出现疾病爆发的重要原因，对全球公共卫生构成重大威胁。污水处理厂作为阻隔废水中病毒向水环境中传播的屏障[28]，从废水中去除病毒是废水再生必不可少的环节。众多研究环境领域病毒的相关文章中均涉及“去除”，如Prado等[29]研究了城市污水处理厂多种污水工艺去除效果，发现MBR/RO系统对病毒的去除效果最佳。此外，关于MBR工艺去除废水病毒的研究中，常与“去除”关联，包括MBR工艺对哪种肠道病毒具有最佳去除效果及MBR工艺对不同病毒去除率存在差异的原因等[30]。

PCR、RT-QPCR等也是出现较多的关键词。环境中存在的病毒可通过呼吸道、粪—口传播等途径感染易感人群，给人类健康造成重大威胁，对环境中尤其是水环境中病毒的检测和监测变得越来越重要。分子生物学技术(如PCR、RT-PCR等)作为传统的病毒检测方法之一，是环境中病毒检测的重要手段[31]，但随着分子生物学技术的飞速发展，尤其是测序技术的革新，环境样品的微生物分析方法发生了快速的转变，传统方法逐渐被以测序技术为代表的新分子技术所取代[32]。第二代测序技术因其高通量、低成本等优势，被认为是测序技术划时代的成就[33]，测序随即成为环境样本中病毒检测类文章的关键词。2002年，Breitbart等[34]采用传统的鸟枪测序法(shortgun sequencing)揭示了美国加州海岸水体病毒的基因组组成，拉开了水体环境病毒宏基因组学研究的序幕。宏基因组学测序技术因可以克服大环境下病毒遗传物质浓度低的缺点，提高基因组信息的丰度，成为环境样本中病毒分子生态学的研究的有利工具，在淡水湖[35]、城市河流[36]、废水[37]、土壤[38]、气溶胶[7]、海水[39]等环境中病毒多样性和新病毒的研究中均有应用，因而成为环境领域病毒研究的关键词之一。通过对关键词的分析，可以看出环境介质中尤其是水环境中病毒的检测、灭活/消毒及去除将是环境领域病毒研究的三大主要方向和热点。