基于文獻計量學的環境領域病毒研究現狀分析

李中浤， 張列宇， 許秋瑾， 李國文， 李曹樂， 黎佳茜， 李曉光， 陳素華

1.南昌航空大學環境與化學工程學院2.國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室， 中國環境科學研究院3.環境基準與風險評估國家重點實驗室， 中國環境科學研究院

病毒是一類由一個核酸分子(DNA或RNA)和蛋白質組成的有機物種，是世界上數量最多的生物，病毒可以利用宿主細胞進行自我復制[1]。病毒從臨床病人或其他宿主(動物、植物)進入環境，雖然不會在宿主以外的環境中進行復制，但容易進入易感宿主[2]。如人腸道致病性病毒可通過感染者排泄廢物進入水環境中，其在水環境中很容易傳播，且易吸附在水中的沉積物中被水生生物吸收[3]，并通過糞—口傳播，再次回到人體中，導致疾病爆發。受病毒污染的食物也可能導致疾病爆發[4]。病毒在物體表面、糞便、尿液、水、氣溶膠中能存活數小時甚至數十天[5]。21世紀初以來，動物和人類流動性極速增加，加劇了呼吸道和腸道病毒的傳播，也加快了病毒在環境中傳播的速度。病毒的傳播不僅取決于其與宿主的相互作用，還取決于其與宿主外部環境的相互作用[6]。病毒與環境介質之間存在復雜的交互作用關系，環境介質既是病毒傳播的重要載體，又是疫情防控產生次生環境風險和生態損傷的主要受體，目前在氣溶膠[7]、城市廢水[8]、土壤[9]、地下水[10]和海水[11]等環境介質中均檢測出多種與人類密切相關的病毒，嚴重威脅到人類健康。已有文獻研究了環境參數(如溫度、濕度、陽光/輻射和污染)對空氣傳播[12]、介水傳播[13]的傳染性生物體(病毒、細菌和真菌)生存的影響。目前，環境領域病毒相關的研究報道較多，但鮮有從研究方向、研究領域和研究熱點等角度對已有文獻進行量化分析的報道，隨著環境領域病毒研究的論文數量逐年增加，有必要采用文獻計量的方法對已有研究進行統計分析，系統地揭示環境領域病毒研究的現狀、研究熱點及趨勢。

文獻計量學是基于文獻學、信息科學、數學和統計學的多學科交叉學科[14]。文獻計量學通過對現有文獻的定量統計分析，識別文獻發表的地域分布特征，如出版物、研究人員和研究機構的地域分布特征，為研究者提供一個全面的學科發展全景和可能的發展趨勢[15]。筆者基于Web of ScienceTM核心合集數據庫(WoS)，利用HistCite Pro軟件和VOSviewer軟件，對2000—2020年發表的環境領域病毒研究文獻進行計量分析，以期為更好地了解環境領域病毒研究的研究進展和未來研究方向提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

在Web of ScienceTM核心合集數據庫中進行檢索，該數據庫收錄了全世界最重要和最有影響力的研究文獻，是公認的世界上最重要的文獻檢索平臺[16]。檢索時間段為2000年1月1日—2020年12月31日，檢索時間為2021年2月14日，檢索內容：主題=(virus*)，文獻類型=article，Web of Science類別為Engineering Environmental或Environmental Sciences或Water Resources或Soil Sciences或Meteorology Atmospheric Sciences。在Web of ScienceTM核心合集數據庫中檢索到發表于2000—2020年的環境工程領域病毒研究文獻 5 481 篇，經過人工篩選，去除不相關和相關性較小的文獻，共獲得 3 389 篇文獻。

1.2 研究方法

運用Excel 2016、HistCite Pro、VOSviewer軟件，系統分析2000—2020年Web of ScienceTM核心合集數據庫中收錄的關于環境領域病毒研究工作的進展情況，從發文量、發文國家/地區、發文機構、載文期刊、作者群體、高被引文獻及關鍵詞等方面進行計量分析[17-18]。本地引用次數(local citation score，LCS)表示某篇文獻在當前數據集中被引用的次數，本地總引用次數(total local citation score，TLCS)表示某篇文獻被導入到HistCite Pro軟件中進行分析的所有文獻所引用的次數，總引用次數(total global citation score，TGCS)表示某篇文獻被Web of Science核心合集數據庫中的文獻所引用的次數，這3項指標是HistCite Pro軟件中重要的參數，可幫助學者快速定位相關研究領域的重要作者、重要期刊和重要機構等。相比而言，TLCS相較TGCS更重要，TLCS高的文獻一般是有重要的新發現或新解釋，極有可能是領域內的開創性文章。

采用HistCite Pro軟件、VOSviewer軟件進行數據分析時，將導入的文獻中具有相同或相近含義的詞或詞組統一合并成為1個關鍵詞，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 結果與分析

2.1 發文量

發文量可以直接反映環境領域病毒研究的活躍程度。2000—2020年環境領域病毒研究的發文量如圖1所示。由圖1可知，2000—2020年環境領域病毒研究的發文量總體呈增加趨勢，從2000年的43篇增至2020年的402篇。其中，2000—2019年發文量以10篇/a的速度增長，2020年發文量出現較大增長，相較2019年增加了147篇，遠超2000—2020年的平均增長速度，這可能與2019年底發生的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)有關。

圖1 2000—2020年環境領域病毒研究發文量Fig.1 Number of published papers of virus research in the environmental field from 2000 to 2020

自2009年以來，共計發生6次國際關注的公共衛生緊急事件，分別是2009年的H1N1流感大流行、2014年的脊髓灰質炎疫情、2014年的西非埃博拉疫情、2015—2016年的寨卡病毒疫情、2018—2019年的剛果埃博拉疫情及2019年底發生的新型冠狀病毒肺炎。公共衛生緊急事件推動了環境領域病毒研究的進展，學者開始更多地關注病毒在氣溶膠、水等介質中的傳播性及其在環境中的生存能力，以及病毒與環境介質之間交互作用的機理。

2.2 發文國家

2000—2020年發文量排名前10的國家如表1所示。由表1可知，美國的發文量位居榜首，達 1 207 篇，遠超其他國家，且篇均被引頻次也高于其他國家，達到25.81，說明美國在該領域有很強的影響力。中國發文量位居第二，達338篇，但篇均被引頻次僅高于10個國家中的巴西，說明論文影響力有待進一步提升。除美國和中國外，發文量排名前10的國家發文量均為100多篇。

表1 2000—2020年環境領域病毒研究發文量排名前10的國家Table 1 Top10 countries in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

注： 圖中圓圈和標簽的大小代表發文量，連線代表合作情況，連線越粗說明合作越緊密。圖2 2000—2020年各國在環境領域病毒研究的合作關系Fig.2 Cooperation among countries in virus research in the environmental field in 2000-2020

基于VOSviewer可視化分析軟件統計結果，2000—2020年中國及世界各國之間環境領域病毒研究的合作關系如圖2所示。

由圖2可知，各國家間合作密切，共同致力于環境領域病毒研究，其中與中國合作密切的國家主要為美國、日本和加拿大等。

2.3 研究機構

2000—2020年發表的環境領域病毒研究文獻共涉及 3 554 個機構，發文量排名前10的研究機構如表2所示。由表2可知，排名前10的研究機構中美國占50%左右，分別為亞利桑那大學(University Arizona)、美國國家環境保護局(US EPA)、美國地質調查局(US Geology Survey)、北卡羅來納大學教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)和伊利諾依州大學(University of Illinois)。西班牙、中國、意大利各有1家研究機構發文量排在前10位。美國亞利桑那大學發文量為96篇，遠高于第2名的巴塞羅那大學(68篇)和第3名的美國國家環境保護局(63篇)，但篇均被引頻次僅有23.40，在排名前10的研究機構中排在第6位。中國科學院是唯一進入排名前10的中國研究機構，發文量為57篇，均篇被引頻次較低(17.37)，說明尚需進一步提升影響力。圖3表示環境領域病毒研究重要研究機構之間的合作關系。由圖3可以看出，中國科學院與澳大利亞格里菲斯大學、美國約翰霍普金斯大學和猶他大學、日本名古屋大學等機構存在較為緊密的合作關系。

表2 2000—2020年環境領域病毒相關研究發文量排名前10的研究機構Table 2 Top10 research institutions in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

注： 圖中圓圈和標簽的大小代表發文量，連線代表合作情況，連線越粗說明合作越緊密。圖3 2000—2020年環境領域病毒相關研究重要機構之間的合作關系Fig.3 Cooperation among major research institutions in virus research in the environmental field from 2000 to 2020

2.4 發文期刊

對某一研究領域文獻的來源期刊進行分析，可確定該領域來源期刊中的核心期刊。2000—2020年環境領域病毒研究發文量排名前10的期刊如表3 所示。由表3可知，該領域發文期刊共有328家，發文量排名前3的期刊分別是WaterResearch、FoodandEnvironmentalVirology和EnvironmentalScience&Technology，發文量分別為354、310和208篇，本地總引用次數分別為 2 781、731和 1 442，總引用次數分別為 14 846、3 811 和 8 557，均排名前3，說明這3家期刊在該領域影響力較大。

表3 2000—2020年環境領域病毒研究發文量排名前10的期刊Table 3 Top10 journals in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

2.5 發文作者

通過對某一領域研究作者發文數量、文獻被引頻次分析，可以發現該研究領域的高產出及重要作者[19]。環境領域病毒研究文獻共涉及11 990位作者，發文量排名前10的作者如表4所示。按本地總引用次數排序，日本學者Katayama H排名第1，其次為日本學者Haramoto E，美國學者Gerba C P排名第3。按總引用次數排序，排名前3的作者分別為美國學者Gerba C P、Sobsey M D和瑞士學者Kohn T。

表4 2000—2020年環境領域病毒研究發文量排名前10的作者及發文相關指標Table 4 Top10 authors in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

2.6 高被引文獻

環境領域病毒研究排名前10的高被引文獻如表5所示。由表5可知，按本地引用次數排序，日本學者Katayama H發表的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分別處于高被引文獻前2位。污水處理系統是監測介水傳播人體腸道病原體的重要節點，對于了解病毒在污水處理系統的分布特征及環境風險評估非常重要[20]。被引頻次排名前2的文獻通過對污水處理廠中病毒、腺病毒等典型腸道病毒賦存、相對豐度和削減效果的研究，提出將病毒去除效果作為評估污水處理效果的潛在指標，其被引頻次高說明學者對水環境中尤其是污水中的病毒及其去除效果關注度較高。

表5 2000—2020年環境領域病毒研究領域排名前10的高被引文獻Table 5 Top10 highly cited papers in volume of publications on virus research in the environmental field in 2000-2020

排名前10的高被引文獻中有4篇發表于WaterResearch，其余6篇分別發表于ScienceoftheTotalEnvironment、JournalofContaminantHydrology、EnvironmentalScience&Technology、WaterScienceandTechnology、WaterResourcesResearch和JournalAmericanWaterWorksAssociation上。排名前10的高被引文獻中有6篇關注污水處理系統中病毒的檢測及環境風險評估，涉及的病毒包括諾如病毒、腺病毒、腸道病毒等常見介水傳播病毒，與檢索主題詞具有很強相關性。其余4篇高被引文獻覆蓋了污水處理系統對病毒的去除效果、病毒在自然環境的生存和傳播能力以及地下水中病毒的賦存狀態和自然條件對病毒的影響研究，說明學者對病毒在環境中賦存狀態、生存能力、傳播能力和健康風險等問題比較關注。

2.7 研究熱點

通過分析文獻的關鍵詞可以揭示環境領域病毒研究的特點和發展趨勢[21]。2000—2020年環境領域病毒研究高頻關鍵詞如表6所示。由表6可知，關鍵詞病毒(virus)、腸道病毒(enteric viruses)、滅活(inactivation)出現的頻次最高，分別達到795、475和371次。由環境領域病毒研究的熱點分布(圖4)可知，環境領域病毒研究多集中在水環境領域，包括飲用水(drinking water)、廢水(waste water)、地下水(groundwater)、地表水(surface water)等；主要研究的病毒是諾如病毒(norovirus)、腸道病毒(enteric viruses)、甲肝病毒(hepatitis-a virus)、腺病毒(human adenoviruses)、脊髓灰質炎病毒(poliovirus)、輪狀病毒(rotavirus)等，這幾類病毒都是常見的介水傳播病毒[22]。對廢水中超過100種已經確認為污染物的病毒全部進行檢測是不合理的[23]，crAssphage[24]和胡椒斑駁病毒(PMMoV)[25]

表6 2000—2020年環境領域病毒研究高頻關鍵詞Table 6 High-frequency keywords of virus research in the environmental field in 2000-2020

圖4 2000—2020年環境領域病毒研究的熱點分布Fig.4 Hotspot distribution of virus research in the environmental field in 2000-2020

等作為病毒指示性指標，用于評估廢水中病毒污染、病毒衰減及病毒在廢水中的傳播，有著非常好的應用前景。

此外，滅活(inactivation)、消毒(disinfection)等關鍵詞出現的頻次也較高。環境中病毒消毒滅活非常重要，尤其是飲用水消毒，而飲用水消毒又涉及多種消毒方法，包括游離氯消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒、活性炭消毒和超聲波消毒[26]等。此外，各種消毒劑的滅活機制決定了各消毒劑的滅活作用位點與影響因素，但目前對各消毒劑滅活機制的認識還非常有限[27]，對消毒副產物的環境風險認識也并不清晰。消毒措施對病毒的滅活機制及消毒副產物的環境風險也將是環境領域病毒的研究熱點之一。

關鍵詞去除(removal)出現的頻次也較高(343次)。介水傳播腸道病毒是新出現疾病爆發的重要原因，對全球公共衛生構成重大威脅。污水處理廠作為阻隔廢水中病毒向水環境中傳播的屏障[28]，從廢水中去除病毒是廢水再生必不可少的環節。眾多研究環境領域病毒的相關文章中均涉及“去除”，如Prado等[29]研究了城市污水處理廠多種污水工藝去除效果，發現MBR/RO系統對病毒的去除效果最佳。此外，關于MBR工藝去除廢水病毒的研究中，常與“去除”關聯，包括MBR工藝對哪種腸道病毒具有最佳去除效果及MBR工藝對不同病毒去除率存在差異的原因等[30]。

PCR、RT-QPCR等也是出現較多的關鍵詞。環境中存在的病毒可通過呼吸道、糞—口傳播等途徑感染易感人群，給人類健康造成重大威脅，對環境中尤其是水環境中病毒的檢測和監測變得越來越重要。分子生物學技術(如PCR、RT-PCR等)作為傳統的病毒檢測方法之一，是環境中病毒檢測的重要手段[31]，但隨著分子生物學技術的飛速發展，尤其是測序技術的革新，環境樣品的微生物分析方法發生了快速的轉變，傳統方法逐漸被以測序技術為代表的新分子技術所取代[32]。第二代測序技術因其高通量、低成本等優勢，被認為是測序技術劃時代的成就[33]，測序隨即成為環境樣本中病毒檢測類文章的關鍵詞。2002年，Breitbart等[34]采用傳統的鳥槍測序法(shortgun sequencing)揭示了美國加州海岸水體病毒的基因組組成，拉開了水體環境病毒宏基因組學研究的序幕。宏基因組學測序技術因可以克服大環境下病毒遺傳物質濃度低的缺點，提高基因組信息的豐度，成為環境樣本中病毒分子生態學的研究的有利工具，在淡水湖[35]、城市河流[36]、廢水[37]、土壤[38]、氣溶膠[7]、海水[39]等環境中病毒多樣性和新病毒的研究中均有應用，因而成為環境領域病毒研究的關鍵詞之一。通過對關鍵詞的分析，可以看出環境介質中尤其是水環境中病毒的檢測、滅活/消毒及去除將是環境領域病毒研究的三大主要方向和熱點。

3 結論

(1) 近20年在環境領域病毒研究領域共發表了3 389篇文獻，發文量總體呈增加趨勢，但2020年發文量出現較大增長；美國、中國、澳大利亞、日本發文量較多，我國發文量相較美國仍具有較大差距，且發文的篇均被引頻次不高。

(2) 排名前10的高產作者中，發文量排名前3的分別為美國學者Gerba C P、Sobsey M D和日本學者Katayama H；排名前10的研究機構有亞利桑那大學、巴塞羅那大學、美國國家環境保護局、中國科學院等。

(3) 環境領域病毒研究文章主要發在WaterResearch、FoodandEnvironmentalVirology、EnvironmentalScience&Technology等期刊，研究多集中在飲用水、廢水等水環境領域，主要研究的病毒包括諾如病毒、腸道病毒等常見介水傳播病毒。