廢水也能追蹤新冠？答案可能就藏在污水處理廠中
2020年，新冠疫情在世界范圍內(nèi)持續(xù)蔓延，至今累計(jì)確診人數(shù)已超過三千萬人，是近百年來人類遭遇的影響范圍最廣的全球性大流行病。病毒的檢測和篩查成為疫情防控的關(guān)鍵一環(huán)。核酸和抗體檢測是目前通用的檢測方法，但資源消耗巨大，難以對(duì)大規(guī)模人群進(jìn)行監(jiān)測，且無法對(duì)疫情的重新爆發(fā)進(jìn)行預(yù)警。
那么，是否還存在更加高效、靈活的監(jiān)測方法呢？
8月，世界衛(wèi)生組織WHO發(fā)布名為“新冠病毒環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀(Status of environmental surveillance for SARS-CoV-2 virus) ”的科學(xué)簡報(bào)，文中總結(jié)了通過市政污水進(jìn)行新冠病毒監(jiān)測的背景、方法和用途，為全球抗擊疫情提供了一份指導(dǎo)方案。污水監(jiān)測，這一方法或在未來新冠疫情的大規(guī)模防控上發(fā)揮重要作用。
污水流行病學(xué)如何發(fā)揮新冠病毒監(jiān)測效能
世界衛(wèi)生組織WHO在科學(xué)簡報(bào)中總結(jié)出利用污水流行病學(xué)的方法對(duì)新冠病毒進(jìn)行監(jiān)測可發(fā)揮的作用。
· 監(jiān)測的范圍大，覆蓋面廣，可以評(píng)估大規(guī)模的社區(qū)總體感染情況。市政污水廠通過污水管網(wǎng)承接了城市千家萬戶排放的污水，污水集水區(qū)域的人口數(shù)量少則千人，多則上百萬人，覆蓋的人口非常廣泛，包括不能及時(shí)或者未出現(xiàn)癥狀而不進(jìn)行核酸檢測的感染者，因此能夠更好的對(duì)疫情進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測。
· 可預(yù)知病毒社區(qū)感染的重新爆發(fā)。由于污水新冠病毒的檢測結(jié)果比臨床患者出現(xiàn)早，因此會(huì)有預(yù)警作用。在與疫情的戰(zhàn)斗中，需要爭分奪秒，幾天的預(yù)警往往會(huì)對(duì)疫情的走向起到?jīng)Q定性的作用。對(duì)污水進(jìn)行病毒檢測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)病毒，以便提前讓公共衛(wèi)生和決策部門采取干預(yù)措施，降低疫情對(duì)人體健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不利影響。
· 可作為疾病傳播動(dòng)態(tài)監(jiān)測的輔助手段。對(duì)衛(wèi)生監(jiān)督結(jié)果進(jìn)行有效的補(bǔ)充，這一點(diǎn)在中低收入的國家尤為重要。新冠疫情爆發(fā)后，相關(guān)核酸檢測試劑供應(yīng)緊張，在很多國家，大規(guī)模的監(jiān)測實(shí)施起來也非常困難，而污水監(jiān)測則不會(huì)占用過多的資源，也是一種“非侵入性”的監(jiān)測方法。
荷蘭率先開始廢水追蹤，監(jiān)測新冠病毒
在WHO的這份簡報(bào)中，荷蘭等國研究人員證實(shí)了污水中的新冠病毒RNA濃度與臨床病例之間的相關(guān)性，并指出，荷蘭計(jì)劃將污水監(jiān)測納入其國家新冠病毒的總體監(jiān)測。自今年2月5日，荷蘭即本國首例臨床新冠患者出現(xiàn)的三周前，就開始進(jìn)行污水新冠病毒的監(jiān)測，是世界上最早進(jìn)行這項(xiàng)研究的國家之一。經(jīng)過幾個(gè)月不斷的監(jiān)測，初步發(fā)現(xiàn)該方法是科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的，更加深入的研究正在進(jìn)行當(dāng)中。
污水監(jiān)測，是以污水流行病(Wastewater Based Epidemiology, WBE)的原理為手段，通過分析市政污水處理廠進(jìn)水中的污染物或者生物標(biāo)記物濃度，結(jié)合人體代謝機(jī)理、進(jìn)水流量和服務(wù)人群數(shù)量等信息，反推該物質(zhì)在污水集水區(qū)內(nèi)的狀況，以此探究與之相關(guān)的疾病流行程度和藥物濫用等公眾動(dòng)態(tài)信息，并進(jìn)一步協(xié)助指導(dǎo)決策。
該學(xué)科于2001年首次提出，在過去的十幾年里，荷蘭公共衛(wèi)生與環(huán)境研究院(RIVM)與水循環(huán)研究所(KWR)利用該方法，通過對(duì)污水進(jìn)行監(jiān)測，來檢測脊髓灰質(zhì)炎病毒、抗生素耐藥性細(xì)菌和藥物濫用的狀況，為疾病防控和健康決策提供了重要信息。
新冠疫情爆發(fā)后，全球已有十余個(gè)研究小組，包括中國的鐘南山和李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)，都從新冠病毒患者的糞便中分離出了活的新冠病毒或其遺傳物質(zhì)RNA，還有研究發(fā)現(xiàn)病毒可在患者感染3天內(nèi)出現(xiàn)在糞便中，遠(yuǎn)早于患者轉(zhuǎn)為重癥所需的時(shí)間。
新冠患者所攜帶的病毒很有可能會(huì)隨糞便排入污水中，排入污水處理廠。一座污水處理廠可能要處理上百萬人的生活廢水，波及城市千家萬戶，其中就包括病毒攜帶者的排泄物。研究者確定排泄物中的病毒RNA含量后，可進(jìn)而推算出感染者數(shù)量。
正是基于以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論依據(jù)，荷蘭的科學(xué)家們自本國疫情出現(xiàn)前，就率先開始對(duì)污水中新冠病毒的監(jiān)測進(jìn)行準(zhǔn)備，建立項(xiàng)目框架，測試實(shí)驗(yàn)方法，跟蹤廢水中的病毒顆粒以期待污水能為疫情的大規(guī)模監(jiān)測提供實(shí)用有效的信息。那么荷蘭所采用的具體方法是怎樣的呢？污水中是否能檢測到新冠病毒的遺傳物質(zhì)？又是否可以關(guān)聯(lián)污水與臨床報(bào)告患者的數(shù)量呢？
迅速且高效，荷蘭所采用的方法和研究成果
荷蘭從2月5日起對(duì)5個(gè)城市的市政污水處理廠和史基浦機(jī)場(Schiphol airport)的污水處理廠進(jìn)行監(jiān)測，污水樣本為24小時(shí)連續(xù)采集的未經(jīng)處理的污水。研究人員使用qRT-PCR的方法，指在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基團(tuán)，利用熒光信號(hào)積累實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)PCR進(jìn)程，最后通過標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)未知模板進(jìn)行定量分析的方法，以此對(duì)污水中的新冠病毒遺傳物質(zhì)RNA的基因片段進(jìn)行分析。
檢測結(jié)果顯示，在2月的污水樣本中，未發(fā)現(xiàn)新冠病毒的蹤跡。2月27日，蒂爾堡(Tilburg)出現(xiàn)了荷蘭首例確診新冠病人，且在3月5日3個(gè)污水處理廠的污水樣品中，檢測出了新冠病毒的RNA，這是荷蘭首次在污水中發(fā)現(xiàn)新冠病毒的蹤跡，蒂爾堡當(dāng)?shù)氐奈鬯幚韽S也隨即被納入到監(jiān)測范圍內(nèi)。
3月15日，在7個(gè)污水處理廠的樣品中，全部檢測到新冠病毒的RNA。接下來，疫情在荷蘭境內(nèi)迅速爆發(fā)，污水監(jiān)測的范圍逐漸擴(kuò)大到4月29個(gè)、7月80個(gè)， 截至9月17日，污水新冠監(jiān)測的范圍擴(kuò)展到300多個(gè)處理廠，來自1700多萬居民，幾乎覆蓋全部荷蘭人口。
更多的檢測結(jié)果驗(yàn)證了污水監(jiān)測的可行性和實(shí)效性。污水中新冠病毒RNA濃度與臨床報(bào)告的患者數(shù)量顯示出明顯的相關(guān)性，并具有極高的敏感度，精確度可達(dá)1-10人每十萬人口。此外，在阿默斯福特(Amersfoort)，當(dāng)?shù)厥桌』汲霈F(xiàn)的6天前，相關(guān)研究人員就從污水中檢測到了新冠病毒的RNA，對(duì)當(dāng)?shù)匾咔榈呐袛嗯c決策提供及時(shí)的警示作用。
污水監(jiān)測，仍需面臨的挑戰(zhàn)
盡管荷蘭的研究人員已經(jīng)在污水樣本中檢測到新冠病毒的RNA，更精準(zhǔn)地量化出廢水樣本中人群的感染程度還需要一系列前提。如何結(jié)合人體代謝機(jī)理、進(jìn)水流量和服務(wù)人群數(shù)量等信息、更精確的反推病毒在污水集水區(qū)內(nèi)的詳細(xì)傳播狀況、估算病毒來源的人數(shù)，使決策者能夠采取關(guān)鍵措施并提前部署資源，以保護(hù)社區(qū)免受大流行病的侵襲。在這些命題上，研究人員仍需要更多嘗試和思考。
好消息是，這一目標(biāo)，正在逐步實(shí)現(xiàn)。荷蘭水循環(huán)研究所KWR聯(lián)合英國、希臘和西班牙的專業(yè)人員，正在研發(fā)名為“Sewers4COVID”的新冠病毒污水監(jiān)測模型。它結(jié)合了污水流行病學(xué)學(xué)和人工智能技術(shù)，可以快速、經(jīng)濟(jì)、高效地檢測全國范圍內(nèi)的新冠爆發(fā)熱點(diǎn)，并實(shí)時(shí)預(yù)測大流行的爆發(fā)。目前，這個(gè)模型的雛形樣本已經(jīng)完成，該研究小組也因此獲得了歐盟嘉獎(jiǎng)和皇家英國工程大獎(jiǎng)。此外，美國、澳大利亞等多國也已經(jīng)開展相關(guān)研究和監(jiān)測，加入新冠病毒監(jiān)測和預(yù)警的行列。
也許有人會(huì)擔(dān)憂新冠病毒是否會(huì)通過糞便或污水傳播，目前沒有證據(jù)表明人類會(huì)通過糞便或污水傳染感染，病毒RNA的存在并不能提供有關(guān)其是否具有傳染性的任何信息，荷蘭也對(duì)污水處理廠處理后的出水進(jìn)行了檢測，并未發(fā)現(xiàn)任何新冠病毒的活性物質(zhì)。
數(shù)十年來，廢水監(jiān)測一直是病毒追蹤的利器。正是通過廢水監(jiān)測，人們確定了脊髓灰質(zhì)炎疫苗接種的有效性。污水新冠監(jiān)測可以幫助發(fā)現(xiàn)早期病毒蹤跡，是除了臨床測試之外，有科學(xué)基礎(chǔ)并且經(jīng)濟(jì)高效的測試方法。我們與疫情的“戰(zhàn)爭”還沒有結(jié)束，面對(duì)未來可能反彈的疫情，預(yù)警新冠病毒，或許可以從廢水中找到答案。
原標(biāo)題:廢水也能追蹤新冠？答案可能就藏在污水處理廠中
