最新綜述ǀ污水流行病學(xué)（WBE）用于新冠肺炎COVID-19預(yù)警

水處理網(wǎng)訊:編者按

北京建筑大學(xué)郝曉地教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)最新的污水流行病學(xué)（WBE）用于應(yīng)對(duì)COVID-19疫情的研究進(jìn)行了綜述，盡管目前相關(guān)研究還十分有限，但已足夠有效證明WBE在SASR-CoV-2出現(xiàn)、傳播以及監(jiān)測(cè)方面的作用和價(jià)值。傳統(tǒng)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式RNA或其抗體檢測(cè)固有弊端也促使學(xué)者、管理者對(duì)現(xiàn)有疫情防控體系重新思考；同時(shí)，對(duì)具有“點(diǎn)對(duì)面”性質(zhì)的WBE方案逐漸重視?；谀壳癢BE在SARS-CoV-2監(jiān)測(cè)方面的研究結(jié)果，美國(guó)CDC已經(jīng)開始考慮和企業(yè)、污水公司等開展WBE項(xiàng)目合作，用于指導(dǎo)疫情防控或者為可能再次爆發(fā)病毒提供預(yù)警信息。盡管我國(guó)COVID-19疫情已經(jīng)得到了穩(wěn)定控制，但疫情擴(kuò)散、反彈風(fēng)險(xiǎn)依然存在。隨著我國(guó)對(duì)水環(huán)境保護(hù)的重視和城市管網(wǎng)不斷優(yōu)化，城市污水收集覆蓋率已達(dá)95%，這就為我國(guó)應(yīng)用WBE作為病毒出現(xiàn)和傳播預(yù)警機(jī)制提供了研究基礎(chǔ)。當(dāng)下我國(guó)排水系統(tǒng)管理正向智能化方向發(fā)展，這也為WBE研究和應(yīng)用提供了可能和契機(jī)。

摘要

突發(fā)天災(zāi)新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情已蔓延至全球幾乎所有國(guó)家，累計(jì)確診病例已近350萬例。這一全球大流行病盡管現(xiàn)階段在我國(guó)已得到基本控制，但因不容樂觀的全球疫情擴(kuò)散以及SARS-CoV-2病毒無癥狀感染者出現(xiàn)，依然存在疫情反彈的巨大風(fēng)險(xiǎn)。在病毒疫苗正式投入臨床應(yīng)用之前，COVID-19爆發(fā)有效預(yù)警機(jī)制依然是最需要的技術(shù)手段。鑒于感染者糞便/尿液中存在病毒粒子或遺傳物質(zhì)核糖核酸（RNA），荷蘭學(xué)者提出了基于污水流行病學(xué)（WBE）監(jiān)控SARS-CoV-2出現(xiàn)并傳播的設(shè)想。目前，污水中SARS-CoV-2病毒有限RNA檢測(cè)研究已經(jīng)證明了這一技術(shù)作為疫情預(yù)警的可行性，亦可能根據(jù)WBE檢測(cè)結(jié)果表征病毒傳播動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)、估算感染群體比例，甚至在一定范圍內(nèi)進(jìn)行感染群體追蹤。在總結(jié)WBE技術(shù)在我國(guó)發(fā)展應(yīng)用基礎(chǔ)上，對(duì)已有污水中SARS-CoV-2 核酸（RNA）檢測(cè)研究結(jié)果、應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義進(jìn)行綜合分析，總結(jié)WBE研究標(biāo)準(zhǔn)化方案，辨析急需深入研究的方向領(lǐng)域。這對(duì)我國(guó)下一階段疫情防控具有相當(dāng)?shù)膯l(fā)與參考價(jià)值。

新冠病毒肺炎（COVID-19）已被世界衛(wèi)生組織（WHO）界定義為全球大流行病。截至2020年4月底，全球被感染人數(shù)已累計(jì)超過300多萬例，且確診人數(shù)增加趨勢(shì)在國(guó)外繼續(xù)。反觀我國(guó)抗疫情況，自2019年12月出現(xiàn)首例COVID-19感染者，到爆發(fā)并擴(kuò)散至全國(guó)（累計(jì)確診8萬多例），我們依靠制度優(yōu)勢(shì)迅速調(diào)集全國(guó)軍隊(duì)、地方醫(yī)療力量，經(jīng)過2個(gè)多月的拼死努力已基本控制住全國(guó)疫情，取得抗疫階段性勝利。目前，國(guó)內(nèi)正采取復(fù)工、復(fù)產(chǎn)行動(dòng)，疫情防控已開始進(jìn)入常態(tài)化管理。由于境外疫情擴(kuò)散目前仍然未能見頂，且病毒疫苗尚未進(jìn)入臨床應(yīng)用，所以，我國(guó)外防輸入、內(nèi)防反彈的壓力依然很大。核酸（RNA）與抗體聯(lián)合檢測(cè)、相互配合可以有效甄別新冠病毒(SARS-CoV-2)感染者以及無癥狀感染者，從而化解病毒再次傳播的風(fēng)險(xiǎn)。但是，核酸和抗體檢測(cè)作為典型“干預(yù)式”、“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”篩查手段，不僅耗時(shí)費(fèi)力，還會(huì)因被檢測(cè)個(gè)體所處不同感染階段而導(dǎo)致錯(cuò)檢或漏檢，并不具有提前研判疫情的能力。這就導(dǎo)致對(duì)病毒傳播預(yù)警機(jī)制的熱切期盼。目前，越來越多證據(jù)表明，腸道系統(tǒng)組織細(xì)胞很可能也易遭SARS-CoV-2侵入；而腹瀉等腸道系統(tǒng)不適也已被認(rèn)定為COVID-19的典型癥狀之一。這就是在病毒感染者糞便/尿液中已多次檢出SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)（RNA）存在的原因；病毒因此有可能通過排水管道系統(tǒng)進(jìn)入水環(huán)境，繼而引發(fā)人們對(duì)糞口傳播病毒之擔(dān)憂。除個(gè)別研究在病毒感染者糞便/尿液中通過培養(yǎng)檢出了具有活性的病毒外，其他研究并沒有對(duì)所采集的糞便、尿液進(jìn)行病毒活性培養(yǎng)檢驗(yàn)。但是，至今仍沒有病毒糞口傳播發(fā)生的報(bào)告，因此，SARS-CoV-2病毒通過污水傳播可能性較小。從污水中檢測(cè)到病毒或其遺傳物質(zhì)RNA也為病毒傳播預(yù)警或疫情爆發(fā)判斷提供了一種新的思路：可以通過檢測(cè)SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)RNA在污水中是否存在來研判COVID-19感染者存在與數(shù)量多寡，可以基于污水流行病學(xué)（Wastewater-based Epidemiology, WBE）或環(huán)境檢測(cè)（Environmental Surveillance, ES）疾病建立可行的病毒預(yù)警機(jī)制。實(shí)際上，WBE早已被用于監(jiān)控水傳播疾病在人群中的傳播情況，在日本和以色列已體現(xiàn)出其在預(yù)警脊髓灰質(zhì)炎病毒方面的價(jià)值。目前，雖然有限但很有價(jià)值的相關(guān)研究已證明WBE技術(shù)在預(yù)測(cè)SARS-CoV-2病毒傳播方面的可行性，甚至這項(xiàng)技術(shù)可以早于醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)并預(yù)警病毒存在并擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。WBE作為一種“非干預(yù)式”、“點(diǎn)對(duì)面”之檢測(cè)手段，能夠彌補(bǔ)核酸或抗體檢測(cè)的弊端，為預(yù)警疫情再次爆發(fā)及時(shí)提供信息。國(guó)內(nèi)雖已有在糞便和污水中檢測(cè)到SARS-CoV-2病毒的較早報(bào)道，但尚無基于WBE的類似研究，所以，我們?cè)噲D綜述、總結(jié)目前已公開發(fā)表的與COVID-19病相關(guān)之WBE研究進(jìn)展。首先，介紹WBE技術(shù)原理及在我國(guó)的應(yīng)用情況；其次，分類討論現(xiàn)有SARS-CoV-2病毒檢測(cè)WBE研究成果，同時(shí)分析其應(yīng)用價(jià)值與指導(dǎo)意義；最后，對(duì)可用于WBE研究的標(biāo)準(zhǔn)化方法與亟待深入研究的方向進(jìn)行把脈。這對(duì)我國(guó)下一階段疫情防控具有相當(dāng)啟發(fā)與參考價(jià)值01污水流行病學(xué)（WBE）

1.1 原理與應(yīng)用

污水流行病學(xué)（WBE）是通過量化分析污水中目標(biāo)化學(xué)或生物標(biāo)記物來定性或定量推演污水收集區(qū)域居民活動(dòng)與健康情況的一種調(diào)查監(jiān)控方法，其過程方法如圖1所示。這一思路首先由美國(guó)環(huán)保署（US EPA）研究員在2001年提出，隨后在一些國(guó)家獲得應(yīng)用。2005年，意大利研究人員對(duì)4座污水處理廠進(jìn)水中的可卡因代謝物含量進(jìn)行了檢測(cè)，揭示了該區(qū)域人群可卡因使用趨勢(shì)，證明這種方法的可操作性。從此，WBE方法逐漸獲得研究者與管理者的青睞；被檢測(cè)的標(biāo)記物種類也越來越為廣泛，包括非法藥物、處方藥、代謝物、PPCPs、抗生素等。2010年，歐洲毒品和毒癮檢測(cè)中心（EMCDDA）成立了SCORE（Sewage analysis CORe group - Europe）小組，旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化污水取樣、保存和檢測(cè)等方法在歐洲建立非法藥品使用WBE監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。2017年，澳大利亞刑事情報(bào)委員會(huì)（ACIC）實(shí)施了“國(guó)家基于污水藥品使用監(jiān)測(cè)”（NWDM）計(jì)劃，用于監(jiān)測(cè)甲基苯丙胺使用情況，可以覆蓋54%澳大利亞人口。

水傳播病毒占污水中微生物群體較多成分，而且也是人類很多疾病主要傳染、擴(kuò)散方式。為此，國(guó)外一些研究人員提出將WBE用于水傳播疾病的檢控，例如，對(duì)脊髓灰質(zhì)炎病毒、肝炎病毒和諾如病毒等的檢測(cè)，并已在日本和以色列獲得實(shí)際應(yīng)用。此外，在污水中也常會(huì)檢測(cè)到一些動(dòng)物傳染病毒，例如，禽流感和SARS病毒，它們完全符合應(yīng)用于WBE研究的原理，這也是目前一些學(xué)者提出應(yīng)用WBE預(yù)警SARS-CoV-2病毒的理論基礎(chǔ)。

圖1污水流行病學(xué)（WBE）調(diào)查方法示意圖

圖1顯示，WBE基本工作原理可分為三個(gè)階段：標(biāo)記物釋放、標(biāo)記物輸送與標(biāo)記物回收檢測(cè)。通過在污水收集干管泵站或污水處理廠進(jìn)水口采樣檢測(cè)選定標(biāo)記物，可定性對(duì)某種化學(xué)物或病源體在人群中的使用或存在情況進(jìn)行分析判斷。對(duì)COVID-19疫情來說，標(biāo)記物便是SARS-CoV-2病毒遺傳物質(zhì)RNA。因病毒不能在寄主細(xì)胞外進(jìn)行復(fù)制，所以可基于三階段效率參數(shù)，由函數(shù)（式1）反推估算病毒在人群中的傳播情況、感染者數(shù)量或在人群中的占比。顯然，標(biāo)記物釋放量確定、標(biāo)記物在管道中輸送動(dòng)態(tài)變化以及標(biāo)記物取樣和檢測(cè)方法（PCR）都可能給函數(shù)（式1）計(jì)算帶來不確定性，這也就成為新冠病毒W(wǎng)BE研究的主攻方向。有關(guān)WBE技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、具體實(shí)施流程等詳細(xì)信息可參考已有文獻(xiàn)。

N=f(M, Q, η, q, m, P) （1）

其中，N—關(guān)聯(lián)對(duì)象人數(shù)/標(biāo)記物所占比例；M——標(biāo)記物濃度；Q——取樣處污水總量；η——標(biāo)記物在管道中輸送效率；q——對(duì)象個(gè)體污水產(chǎn)生量；m——對(duì)象個(gè)體標(biāo)記物產(chǎn)生量；P——區(qū)域人口總量。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用

WBE技術(shù)取決于污水收集系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展與完善，所以，它在我國(guó)的研究、應(yīng)用起步較晚。2013年，濟(jì)南市疾病預(yù)防控制中心報(bào)道了在山東某地完成的一起疫苗衍生脊髓灰質(zhì)炎病毒流行病學(xué)調(diào)查與處置情況，成為國(guó)內(nèi)首先應(yīng)用WBE技術(shù)指導(dǎo)疾病防控的不多案例。到目前為止，文獻(xiàn)檢索可獲得有關(guān)“污水流行病學(xué)”為主題的中文論文共30篇，其關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。顯然，我國(guó)有關(guān)WBE研究主要集中于對(duì)毒品濫用的檢測(cè)分析，其他標(biāo)記物包括城市煙草以及諾如病毒等。研究人員在遼寧和吉林15個(gè)城市選取17座市政污水處理廠，對(duì)甲基苯丙胺用量進(jìn)行了WBE研究分析；對(duì)甲基苯丙胺在該地區(qū)用量進(jìn)行反推估算獲得了有價(jià)值的WBE定量分析結(jié)果。然而，我國(guó)目前其他WBE研究取樣范圍大多局限于一兩座污水處理廠，而且有關(guān)圖1所示三階段效率的研究基本空白，同時(shí)也沒有標(biāo)準(zhǔn)化WBE應(yīng)用方案，整體上仍處于方法驗(yàn)證水平。

圖2 我國(guó)WBE研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

02  WBE應(yīng)用于COVID-19預(yù)警

2.1研究案例概述

2020年3月24日，荷蘭國(guó)家水研究中心（KWR）首次報(bào)道了污水中檢測(cè)到SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)RNA研究成果。研究人員在荷蘭6個(gè)城市與阿姆斯特丹史基輔機(jī)場(chǎng)附近展開3批次污水采樣監(jiān)測(cè)（2月5日 至3月16日），其研究時(shí)間比荷蘭臨床確診COVID-19首例病例（2月27日）還早3周時(shí)間。檢測(cè)結(jié)果顯示，在2月6日所取污水樣中，SARS-CoV-2病毒RNA結(jié)果檢測(cè)均為陰性；但在3月5日大部分污水樣中（5/8）RNA檢測(cè)結(jié)果已呈陽性；至3月15日，幾乎在所有污水樣品中均檢測(cè)到了SARS-CoV-2病毒RNA（9/10）。這一初步研究結(jié)果無疑為COVID-19疫情防控提供了一種“非干預(yù)式”可行替代方案。在此之后，不同國(guó)家研究人員陸續(xù)開展了相關(guān)研究，均在污水中檢測(cè)到了SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)RNA，并試圖從結(jié)果中挖掘更多有價(jià)值信息，以評(píng)價(jià)WBE在指導(dǎo)疫情防控中的作用和意義。表1總結(jié)了目前已公開發(fā)表的針對(duì)COVID-19的WBE研究結(jié)果，可以直觀分析WBE在控制SARS-CoV-2病毒傳播方面的指導(dǎo)作用。表1所列全部研究均遵循圖1所示研究流程，標(biāo)記物為SARS-CoV-2中的RNA，檢測(cè)方法則為臨床病毒檢測(cè)廣泛使用的RT-PCR法。

表1 不同國(guó)家針對(duì)SARS-CoV-2病毒W(wǎng)BE研究結(jié)果