早期预警、动态监测、评估干预，污水流行病学这样参与抗疫
以下文章来源于科技导报 ，作者程荣，郑祥等
污水流行病学是调查人群消费化学物质/感染病原体和健康状况的一种有力和具有成本效益的工具，当前肆虐全球的新冠疫情推动了污水流行病学的迅速发展。
本文从污水样品的采集、前处理及分析，物质的稳定性，校正因子的计算与不确定性分析，实施案例等方面盘点了2021年污水流行病学的重要研究及应用。
污水流行病学（WBE）是一门非常年轻的科学，指基于污水中蕴藏的丰富信息，通过分析污水处理厂进水中的化学物质浓度，根据人体代谢机理、进水流量和服务人口数量估算该地区人群消费某类化学物质的规律，调查与之相关的疾病、消费、健康等公众信息，从而预防和控制相关疾病，提高公众健康水平。
WBE的应用涉及污水样品的采集、前处理及分析，待测物的稳定性，校正因子的计算，污水厂服务人口的估算，结果的不确定性分析等。
肆虐全球的新冠疫情则将WBE的应用扩展到对疫情的定性早期预警、对疾病流行率的定量估计以及疾病突发的定量警报，进一步拓展了WBE的内涵。
污水样品的采集、前处理及分析
污水样品的采集、前处理及分析是WBE的核心部分。
一般认为，24 h复合样品更能保证取样的代表性；应将样品保存在冰箱并尽快分析；应对样品进行浓缩；需要外对照评估回收率和样品变异等。
适于小规模低水平的被动采样器
在大型污水厂进行的监测无法提供有针对性的信息，需要来自较小流域的及时数据来开展公共卫生行动。
David T. McCarthy团队开发了一种由现成的消耗品制成的廉价且易于部署的被动采样器，首次证明了被动采样器可用于检测低流行人群废水中的SARS-CoV-2，且具有适应3个不同规模的早期检测能力。
用于监测污水病毒的被动采样器
被动采样器具有成本低廉、易于在小规模地点部署和污水连续采样等优点，具有广泛应用于WBE的潜力。
Verhagen等先后研究了对污水中高水溶性化学物质进行被动时间一体化采样的扩散采样装置，评估了微孔聚乙烯管无源采样器相对于同时采集的22个不同污水厂的复合样品的原位校准，表明被动采样器为药物使用的时空监测提供了一种工具。
无需试剂盒的RNA提取方法
在样品浓缩和RNA提取的过程中，回收率、成本和处理量是需要考虑的问题。
为了减少对昂贵的商业试剂盒的依赖，Kara L. Nelson团队提出了一种无需试剂盒的污水RNA提取方法（4S法），使用氯化钠（NaCl）、乙醇和二氧化硅构建RNA捕获矩阵，从污水中回收的SARS-CoV-2 RNA比现有基于超滤的方法多6倍。
无需试剂盒的4S法提取SARS-CoV-2 RNA
4S法能够同时回收作为对照的辣椒轻斑驳病毒（PMMoV）和人18S核糖体亚单位rRNA；在3个下水道中测量到的SARS-CoV-2 RNA浓度与通过临床测试确定的COVID-19感染的相对流行率相对应。
4S法还可以防止污水样品在储存过程中的RNA降解，并与高温巴氏杀菌兼容，一个实验室技术人员可以在大约2 h内处理20个样品，有望为有效、经济和可获得的WBE研究提供另一个工具。
无需预处理的超快速检测SARS-CoV-2的方法
张大奕团队提出的基于表面增强拉曼散射（SERS）的检测方法，可以在不进行任何预处理的情况下，快速检测SARS-CoV-2，该方法在评价消毒性能、探索病毒在环境介质中的存活情况、评价污水处理厂病毒的衰减情况以及管网中对SARS-CoV-2的跟踪等方面均准确、简便。
SERS法检测SARS-CoV-2示意
他们采用一种“捕获-猝灭”的策略，通过SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合域（RBD）的识别和结合带来的SERS信号的猝灭进行检测。
该发现提出了一种最先进的光谱工具来筛选和检测带有RBD的病毒，证明了它作为一种WBE的超快速检测工具的可行性和潜力。
快速现场检测工具——生物传感器
生物传感器具有反应快、使用方便、成本低和现场测试潜力等优点，是分析污水生物标志物的高灵敏度和选择性工具。
张华和杨竹根联合团队提出了利用基于WBE的纸基检测设备来筛查潜在的新冠病毒患者，随后讨论了一种集成的带有移动医疗的POC生物传感器系统（iBMW）的可行性，用于COVID-19早期预警、筛查和诊断潜在感染者，并改善卫生保健和公共卫生。
iBMW概念
2021年，该团队报道了一种基于贵金属核-壳纳米粒子组装在定制的玻璃纳米纤维静电纺纸基体上的表面增强拉曼光谱（SERS）传感器，能够评估北京污水处理厂的甲基苯丙胺在社区范围内的流行情况。
用户友好的一次性纸传感器显示了现场快速检测非法药物的适用性，有可能向政府机构提供有关社会干预措施的信息。
纸基纳米传感器示意
污水中待测物/生物标记物的稳定性
选择合适的生物标记物对于WBE的应用至关重要，直接影响物质估计的准确性。
Daughton提出WBE生物标记物须符合以下要求：完全由疾病或压力产生；大量排泄；在污水中足够稳定；满足分析灵敏值的同时具有经济性；在压力/疾病状态下排泄的水平足够高，足以分辨出与正常基线范围的显著差异。
然而，实际应用中，污水中环境和生物条件的时空变化会影响生物标记物的转化，从而影响WBE的准确性。
SARS-CoV-2在水环境中的衰减
感染患者的粪便和污水中存在SARS-CoV-2，但SARS-CoV-2在水环境中的生存能力受到多种因素的影响，直接影响检测过程和评估结果。
Mauro Martins Teixeira和CésarRossas Mota团队分别在河水和污水中加入传染性新型冠状病毒，使用空斑测定法评估了SARS-CoV-2在不同温度和固体含量下的生存能力。
综合来看，温度被认为对病毒的持久性有很强的影响，固体含量可能是影响SARS-CoV-2水体中持久性的次要因素。
不过，该研究采用的是掺入了感染性SARS-CoV-2的无菌样品，不能直接反映非无菌、自然条件更复杂的环境样品。
类似地，Wim G.Meijer团队测定了传染性SARS-CoV-2在4℃和20℃时在河水和海水中的衰减率，发现可存活的SARS-CoV-2的持久性依赖于温度，此外，新冠病毒的RNA比病毒颗粒更稳定。
Ahmed等的研究进一步证实了SARS-CoV-2的RNA可能会在未经处理的污水中持续存在足够长的时间。
Krista R. Wigginton和Alexandria B. Boehm联合团队基于2个污水处理厂进水和初沉污泥中的SARS-CoV-2RNA的定量检测，发现初沉污泥样品的SARS-CoV-2检测频率高于相应的进水样品，提出测量沉淀固体中的SARS-CoV-2的RNA浓度可能是一种比测量进水中的SARS-CoV-2更敏感的方法。
对于SARS-CoV-2的指示病毒，鼠肝炎病毒（MHV）的RNA在不同基质和环境温度下的衰减率与SARS-CoV-2 RNA无统计学差异，被认为是一个合适的替代者。
药物生物标记物在污水中的转化
生物标记物在下水道中的稳定性是WBE的一个关键因素。
蒋光明团队建立了生物标志物转化系数的一级动力学模型，并评估了14种生物标志物降解率、3种受控环境变量和3种生物活性指标之间的相关性，肯定了生物活性和pH值对污水中生物标志物特别是不稳定化合物转化的主导作用。
典型的污水变量对污水中生物标志物转化的影响
校正因子的计算及不确定性分析
WBE的不确定性主要源于样品采集、物质稳定性、人口数量估算、物质的人体代谢比例、物质的浓度测定、污水厂进水流量等方面。
Marit Huizer团队通过批判性地审视过去10年发表的文献，调查了WBE方法的潜力和可靠性，只有有限数量的研究被确定为高质量研究；一小部分被审查论文明确报告了其消费数据的不确定性范围；具有最高可靠性的研究最近发表，表明报告WBE数据的改进。
校正因子（CF）是将污水中测定的生物标记物质量转化为人群初始消耗质量的一个重要参数，被认为是一个不确定性的来源，然而大多数CFs来源于一些旧的药代动力学研究，需要重新评估和改进。
Phong K. Thai团队利用澳大利亚污水中阿替洛尔、卡马西平和萘普生的每日质量负荷及其相应的处方数据，审查和估计了WBE中相对应的CFs，使用新的CFs计算的WBE结果与流域阿替洛尔和卡马西平的分配数据非常吻合。
在污水中SARS-CoV-2的回收和定量中，许多实验室在污水样本中加入指示病毒，以确定与病毒RNA浓度和提取相关的损失。一般认为，测量指示病毒的回收率是一项重要的过程控制。
但Rose S. Kantor和Kara L. Nelson团队建议，报告直接测量的浓度数据，同时报告测量的回收率，而不是试图为回收率校正浓度。这种方式不利于直接比较使用不同方法确定的不同采样地点的SARS-CoV-2的浓度，但未经校正的浓度数据可能对公共卫生应对有用。
此外，还有一些非技术的问题也影响着WBE的准确性，如废弃药物直接排入下水道、不具代表性的大型调查等。
未使用的药物直接排入下水道给生物标记物的测定带来影响
WBE的实施及典型案例
WBE起源于违禁药品的消费调查。自2020年3月污水中检测到SARS-CoV-2 RNA以来，将WBE用于新冠疫情监测的研究迅速展开。
世界各国将WBE用于疫情预警、追踪、管理的研究和案例不断涌现，涉及医院、社区、城市、地区乃至国家等不同规模，基于时间、空间、不同人口规模的分析也陆续被报道。
新冠疫情中污水流行病学的实施路径
LianLundy团队开发了一个支持国际合作的污水监测数据库SC2S，该数据库是一个能让公共卫生从业人员获取污水监测数据，且可为其提供运行SARS-CoV-2污水监测数据的公共卫生系统的开放性合作平台。迄今为止，SC2S数据库已包含来自9个不同国家的276组数据。
早期预警疫情传播
WBE具有作为早期预警系统的能力，建议的具体应用包括监测疾病爆发、疾病漏报和疾病复发。大多报告依赖于对污水样本的回顾性分析，“提前时间”从0~2 d到2~3周不等。
Kyle Bibby团队建立了一个框架来评判WBE作为早期预警系统的潜力，特别关注病毒脱落的开始，以及WBE报告和临床测试结果之间的差异。
他们认为，尽管COVID-19的临床表现和影响WBE结果的技术因素仍存在许多不确定性，在社区一级的污水监测期间，如果临床测试可按需进行而且很快就能得到结果，从临床测试的6天到WBE的4天，至多有一个适中的“提前时间”。当临床测试能力有限时，WBE的潜在“提前时间”会增加。
评估WBE与临床测试时间优势的框架
Claire Duvallet等认为，“提前时间”将取决于WBE的具体应用，其量化将取决于流行病学、生物和卫生系统因素，因此，基于污水的COVID-19监测没有单一的“提前时间”。
动态监测疫情发展
在病毒流行期间，可根据不同区域的污水中病毒检出情况的变化来评估疫情在社区的传播趋势。
S. Venkata Mohan和Rakesh K. Mishra团队采用WBE，根据每升检测到的病毒基因拷贝数和每个人的病毒颗粒脱落量，估计印度海德拉巴市感染SARS-CoV-2的总人数。
类似地，来自巴西的2项研究分别分析了里约热内卢的尼泰罗伊和贝洛奥里藏特的污水处理系统综合监测结果，确定热点地区，并利用地理处理工具根据来自污水样本的SARS-CoV-2数据构建热图，每周更新，在线提供给普通民众。
巴西Niterói市利用WBE追踪SARS-CoV-2和支持市级公共卫生政策
辅助评估疫情干预
WBE可以提供可操作的、具有时间响应能力的数据，辅助评判抗疫的相关探索和经验，以灵活调整针对性的公共卫生决策。
Luke S. Hillary团队通过对英国6个主要城市中心的污水中SARS-CoV-2 RNA流行率进行纵向分析，评估了英国为控制COVID-19实施的封锁措施的成功程度，表明SARS-CoV-2RNA水平普遍与大型城市中心社区内记录的临床病例丰度相关，在实施封锁措施后，SARS-CoV-2RNA丰度显著下降。
来自科罗拉多大学波德分校的研究则在校园中开展SARS-CoV-2的监测工作，协助校园大流行关键阶段的决策。
在校园废水中追踪SARS-CoV-2为公共卫生决策和行动提供信息和监测
香港大学的跨学科团队通过实验室方法研发了小规模小区范围的检测，协助香港特区政府建立了城市污水监测系统，在新冠病毒爆发期可以灵活调整策略集中在热点地区，配合其他防控措施查找隐性患者。
本文作者：程荣，石磊，郑祥
作者简介：程荣，中国人民大学环境学院，副教授，研究方向为环境公共卫生、环境功能材料；郑祥（通信作者），中国人民大学环境学院，教授，研究方向为环境公共卫生与膜分离。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年污水流行病学热点回眸》，本文有删减。
