Nature：污水监测揭秘健康隐患，全球科学家联手追踪病原体新动向

对污水样本进行SARS-CoV-2病毒检测，这种方法可能成为常规疾病监测的一部分。图片来源：Sevrette/Andia via Alamy

2020年底，随着北半球天气转冷和节日聚会增多，在疫苗尚未问世的情况下，SARS-CoV-2病毒迅速传播，导致全球新冠肺炎死亡人数不断攀升。科学家和公共卫生官员迫切需要寻找新的病毒追踪方法，因为病毒的传播速度远比他们的追踪速度快。

香港大学的环境工程师和微生物学家张彤教授及其同事是流行病快速监控方法的先驱。他们得到了香港特区政府的支持，定期从约20个维护孔中收集污水样本，并对污水中的冠状病毒DNA进行检测。2020年12月底，他们追踪到了一起疫情暴发，源头是一栋公寓楼，此前这里并未发现病例。

政府迅速采取行动。官员们对公寓楼中2000多名居民进行了核酸检测，其中9人检测结果呈阳性。“这些人被及时送往隔离地点，因此传播链被阻断。”张教授说。

时至今日，污水检测仍是香港新冠肺炎疫情防控策略的一部分。香港政府团队每周会在全市约20个地点进行冠状病毒检测。张教授团队已扩大对污水样本的分析范围，以涵盖包括流感、轮状病毒、诺如病毒和猴痘等其他病原体，以及抗生素耐药性的标志物。张教授认为，污水检测是同时评估整个社区健康状况的一种方式。“如果我们能使这种方法更加标准化，”他说，这种方法将成为一种“有发展前景且令人兴奋”的能够筛查世界各地病原体的方法，包括那些科学家尚未确定的病原体。

许多研究人员正在采用类似的方法。目前，全球已有超过4600个地点正在收集污水进行SARS-CoV-2病毒检测，一些参与其中的研究团队正在调查其他潜在应用，如追踪非法药物使用甚至是癌症的流行情况。

然而，这种方法是否有潜力成为有效的公共卫生策略，仍是一个有争议的问题。张教授在香港大学公共卫生学院的同事Leo Poon表示，在卫生机构扩大污水检测计划并将其纳入常规预算之前，应该进行更多的研究。“仍然存在许多未知因素，”他说，特别是在除了SARS-CoV-2病毒以外的病原体检测方面。“我们认为目前的学习曲线很陡峭（a steep learning curve）：当我们检测到某些东西时，它意味着什么？”

早起成就

许多通过污水追踪新冠肺炎的研究项目都以类似的方式展开。在疫情早期，科学家们就了解到SARS-CoV-2病毒可以在污水中被检测出来，于是他们与当地的水务部门和卫生机构联系，获取样本。

到2020年底，多项研究已经表明，公共供水系统中冠状病毒的水平可能与社区中新冠肺炎病例的数量相关。例如，斯坦福大学的研究人员发现，旧金山湾区污水中的病毒水平与病例数量呈同步上升/下降趋势。领导这项研究的团队后来创立了WastewaterSCAN项目，该项目在美国近200个地点进行样本检测。

科学家表示，在最成功的污水项目中，研究人员与公共卫生官员直接合作，后者利用这些数据来制定新冠肺炎安全政策。这种情况也发生在加纳的农村地区，就像在香港一样，污水检测发现了其他监控方法未能发现的新冠肺炎病例。美国埃默里大学（Emory University）全球安全饮用水、环境卫生和个人卫生中心研究员Habib Yakubu与加纳的科学家团队合作，开发了考虑该国有限公共污水管道和实验室设备的检测方法。他们在两个农村地区——纳农巴北区（Nanumba North）和米恩区（Mion）进行了尝试，当地政府官员怀疑新冠肺炎可能在这些地区传播，但临床检测并未发现任何病例。

研究人员与社区领导合作，确定了采样地点，包括学校、卫生保健设施、市场和用于洗衣服的溪流。研究人员发现，这些地区实际上存在新冠肺炎病例。因此，官员们增加了公共卫生行动，包括社区教育和疫苗接种工作。研究团队还检测到了加纳常见的其他疾病，包括霍乱和伤寒，这些疾病也为卫生行动提供了依据。

印度塔塔遗传学与社会研究所（Tata Institute for Genetics and Society）的生态学家Farah Ishtiaq表示，2021年初，印度在经历德尔塔变异株所引发的疫情肆虐之后，对新冠肺炎进行污水检测的需求变得十分迫切。Ishtiaq负责印度班加罗尔的新冠肺炎监控项目，她和同事与政府官员合作，在班加罗尔的28个污水处理厂设立了检测点——这是一项极具挑战性的任务，因为团队必须手动收集样本，而不能使用高收入国家常见的自动采样器。

Ishtiaq说，去年奥密克戎变异株在班加罗尔传播期间，污水检测证明了其价值。污水数据表明，在卫生保健系统数据有限的情况下，奥密克戎变异株正在全市范围内广泛传播。她说，官员们的应对措施是延长口罩的使用期限，并对大型集会加以限制。

根据加利福尼亚大学默塞德分校的环境工程师Colleen Naughton及其同事维护的COVIDPoops19控制面板提供的信息（见下图），受以上案例研究的启发，过去四年里，该领域发展迅速，现在已有数百个研究团队在72个国家进行测试。

解读粪便

2023年12月和2024年1月，新冠肺炎在世界多地广泛传播。但是，公共卫生机构大幅削减了传统的检测和监控计划，导致人们无法确切了解冠状病毒的传播程度，并突然关注起基于污水的流行病学。

一些科学家和社交媒体评论员表示，污水中SARS-CoV-2病毒的含量与具体病例数呈相关性，并估计美国和欧洲的病例数会大幅激增。但有人提醒说，污水监测不足以精确预测真正的感染人数。美国东北大学的流行病学家Sam Scarpino曾参与新冠肺炎数据系统的研究，他表示，这种估计有一种“虚假的精确感”。

估算之所以困难，是因为污水数据与传统的健康指标有很大不同。在典型的监测中，数据代表的是可以通过接触追踪、隔离和治疗来识别的受感染者个体。而在污水监测行动中，数据可以代表整个社区。

加拿大渥太华大学的公共卫生医师Douglas Manuel说，他们让“一升水代表一百万人”。Manuel和他的同事们发现了几个可能影响此类筛查结果的变量，包括人口密度、降水量、样本组成、处理和检测方法以及质量控制措施。例如，Manuel说，渥太华春天的积雪融化后会流入污水系统，并“冲刷”掉可能积聚在管道中的固体废弃物。这可能会干扰与SARS-CoV-2病毒相关的测量结果。

为了考虑这些变量，研究人员倾向于比较同一地点随时间变化的测量结果。例如，美国疾病控制与预防中心（CDC）开发了一个名为“污水病毒活动水平”的指标，该指标将测试地点最近的SARS-CoV-2病毒测量结果与过去的测量结果进行比较，然后将这些比较值平均到更大的区域。

这些比较指标有助于向公众展示污水处理结果，但却掩盖了数据的复杂性。伊斯坦布尔马尔马拉大学（Marmara University）的环境工程师、土耳其污水检测项目协调员Bilge Kocamemi很快意识到“数据的科学表达方式让公众无法使用这些数据”。她和同事们开发了一个相对简单的COVID-19地图，根据SARS-CoV-2病毒含量的高低，测试地点以不同深浅的黄色和绿色显示。Kocamemi说，这种彩色刻度并不精确，但对于没有科学背景的人来说很容易理解。

改进估计

科学家们表示，根据污水中的病毒含量来模拟病例数——或社区中COVID-19传播的其他指标，例如将有多少人住院治疗——是困难的，但并非不可能。这种模型将使卫生官员更容易根据污水数据制定政策决定。

CDC的预测与疫情分析中心于2022年成立，是致力于解决这一挑战的机构之一。该中心主任Dylan George表示，污水数据是预测COVID-19对医院负担的“一个非常好的先行指标”。今年2月，George和他的同事们发布了新的医院预测模型，该模型以污水数据等指标为依据。研究表明，如果将污水数据与医疗系统数据结合使用，而不是只使用其中一种数据源，那么此类模型的准确性会更高。

George提醒说，为了更好地理解污水中的病毒含量与社区疾病水平之间的联系，还需要进行持续的研究。例如，一些科学家认为，随着SARS-CoV-2病毒继续变异，病毒含量可能会发生变化；一种被称为JN.1的变异株可能会导致人们释放更多的病毒颗粒，或者与以前的变异株相比释放时间更长。“我认为这将是未来一个活跃的研究领域。”George说。

建模人员希望获取更详细的临床检测数据，以便更好地比较污水处理结果与社区感染情况。波士顿银杏生物工程公司（Ginkgo Bioworks）的科学家Casandra Philipson表示，对于检测污水中其他病毒的研究人员来说，这一挑战往往更大。该公司分析来自飞机和机场的污水，并研究新的生物安全工具。Philipson说，关于COVID-19、流感和呼吸道合胞病毒，有相当不错的临床数据可供使用。但她补充说：“如果不涉及这三种病原体，就会出现大量数据稀缺的问题。”

从污水中还能检测出什么？

一些科学家对出现在人们排泄物中的一系列其他疾病和健康指标很感兴趣。

印度的人工污水取样。图片来源：Environmental Images/Universal Images Group/Shutterstock

在欧洲委员会联合研究中心负责协调污水处理工作的Bernd Manfred Gawlik称污水为“城市的脏血”，并将污水采样比作血液检测。他说，“我们现在才开始了解”如何在集体层面上诊断这种“血液”。

抗生素耐药性（AMR）是一个常见的检测目标，该领域的污水研究早在大流行病之前就已开始。位于印度班加罗尔的Ishtiaq说：“AMR是我所在地区的一个巨大问题。”因为很多人使用未经监管的抗生素。她的研究已经从COVID-19检测扩展到一个多方面的基因组平台，该平台可同时检测病毒和细菌感染。她表示，污水数据将有助于研究人员了解哪些病原体会导致感染，并将这些信息传达给医生。

突尼斯巴斯德研究所（Pasteur Institute）的分子生物学家和生物信息学家Fatma Guerfali也在追踪AMR，突尼斯被认为是风险最高的国家之一。Guerfali表示，她和同事们正在与该国卫生机构以及其他非洲国家的研究者合作，以确定如何最好地扩大这项从COVID-19检测开始的计划。

除了AMR和流感等全球目标外，污水检测的重点因当地健康挑战的不同而有所不同。由于这种检测可以检测到多种病原体，科学家们通常会与卫生机构协商，以确定优先检测哪些目标。例如，在美国肯塔基州，路易斯维尔大学（University of Louisville）健康空气、水和土壤中心主任Ted Smith和同事们正在检测“泛病毒组面板”，其中包括当地卫生机构感兴趣的约30种病原体。他表示，去年，在该州暴发麻疹疫情期间，检测发现了麻疹病原体，卫生官员利用这些数据为疫苗接种计划、医生警报和其他卫生工作提供了信息。

另一个扩展领域在于检测人们排入污水中的化学物质。一些研究人员，如马萨诸塞州剑桥市初创公司Biobot Analytics的研究人员，正在筛查阿片类药物和其他滥用风险较高的药物。Smith和同事们正在检测污水中的化合物，这些化合物表明暴露于空气污染的情况，并已开始对铅含量进行研究。

一些研究人员甚至超越了人类传播的疾病，将动物传播的疾病也考虑在内。2022年，科学家们发表了一项研究，将纽约市污水中出现的新型SARS-CoV-2病毒变异株与该市的老鼠联系起来。Ishtiaq正在班加罗尔研究禽流感，肯尼亚国际家畜研究所的科学家Ekta Patel也在研究那里的动物疾病。

Patel和同事们正在屠宰场采集污水样本，并检测包括炭疽、布鲁氏菌病和裂谷热在内的66种病原体。为了补充污水检测，Patel希望她的团队能从兽医诊所和社区医院收集数据。

一些污水处理领域的科学家反思，如果当时有一套健全的全球污水监测系统，COVID-19疫情早期的情况可能会大不一样。Scarpino表示，一旦病毒序列公布，研究人员就可以“立即对全球污水进行追溯筛查”。通过这种筛查就可以列出一份全球地点清单，列出SARS-CoV-2病毒已经在哪些地方传播，从而在临床测试广泛开展之前就为遏制病毒提供策略信息。

Scarpino认为，这样的系统需要大量的资金投入、能够承担这些项目的国家和科学界领袖，以及使各国污水数据更具可比性的标准。

在纽约洛克菲勒基金会从事COVID-19检测工作的Megan Diamond表示，目前的COVID-19测试是“出于需求和混乱”而诞生的。Diamond表示，世界卫生组织、欧盟和非洲疾病控制与预防中心等全球和地区机构需要挺身而出，为检测、数据共享和标准制定提供指导。

Gawlik参与了一项广泛的工作：全球公共卫生污水和环境监测联盟（GLOWACON），该联盟于今年3月在布鲁塞尔成立。通过招募来自世界各地的300多名合作者——包括科学家、政府官员和国际组织代表，Gawlik希望能够推进新的方法，从世界各地城市的“脏血”中诊断出健康问题。

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