· 監測的范圍大,覆蓋面廣,可以評估大規模的社區總體感染情況。市政污水廠(chǎng)通過(guò)污水管網(wǎng)承接了城市千家萬(wàn)戶(hù)排放的污水,污水集水區域的人口數量少則千人,多則上百萬(wàn)人,覆蓋的人口非常廣泛,包括不能及時(shí)或者未出現癥狀而不進(jìn)行核酸檢測的感染者,因此能夠更好的對疫情進(jìn)行評估和預測。
可預知病毒社區感染的重新爆發(fā)。由于污水新冠病毒的檢測結果比臨床患者出現早,因此會(huì )有預警作用。在與疫情的戰斗中,需要爭分奪秒,幾天的預警往往會(huì )對疫情的走向起到?jīng)Q定性的作用。對污水進(jìn)行病毒檢測,能夠及時(shí)發(fā)現病毒,以便提前讓公共衛生和決策部門(mén)采取干預措施,降低疫情對人體健康和社會(huì )經(jīng)濟的不利影響。
可作為疾病傳播動(dòng)態(tài)監測的輔助手段。對衛生監督結果進(jìn)行有效的補充,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)核酸檢測試劑供應緊張,在很多國家,大規模的監測實(shí)施起來(lái)也非常困難,而污水監測則不會(huì )占用過(guò)多的資源,也是一種“非侵入性”的監測方法。
荷蘭率先開(kāi)始廢水追蹤,監測新冠病毒
在WHO的這份簡(jiǎn)報中,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,荷蘭計劃將污水監測納入其國家新冠病毒的總體監測。自今年2月5日,荷蘭即本國首例臨床新冠患者出現的三周前,就開(kāi)始進(jìn)行污水新冠病毒的監測,是世界上最早進(jìn)行這項研究的國家之一。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月不斷的監測,初步發(fā)現該方法是科學(xué)、有效、經(jīng)濟的,更加深入的研究正在進(jìn)行當中。
污水監測,是以污水流行病(Wastewater Based Epidemiology, WBE)的原理為手段,通過(guò)分析市政污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中的污染物或者生物標記物濃度,結合人體代謝機理、進(jìn)水流量和服務(wù)人群數量等信息,反推該物質(zhì)在污水集水區內的狀況,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)助指導決策。
該學(xué)科于2001年首次提出,在過(guò)去的十幾年里,荷蘭公共衛生與環(huán)境研究院(RIVM)與水循環(huán)研究所(KWR)利用該方法,通過(guò)對污水進(jìn)行監測,來(lái)檢測脊髓灰質(zhì)炎病毒、抗生素耐藥性細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隊,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)現病毒可在患者感染3天內出現在糞便中,遠早于患者轉為重癥所需的時(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(chǎng)。一座污水處理廠(chǎng)可能要處理上百萬(wàn)人的生活廢水,波及城市千家萬(wàn)戶(hù),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)而推算出感染者數量。
正是基于以上的實(shí)驗結果和理論依據,荷蘭的科學(xué)家們自本國疫情出現前,就率先開(kāi)始對污水中新冠病毒的監測進(jìn)行準備,建立項目框架,測試實(shí)驗方法,跟蹤廢水中的病毒顆粒以期待污水能為疫情的大規模監測提供實(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)污水與臨床報告患者的數量呢?
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5個(gè)城市的市政污水處理廠(chǎng)和史基浦機場(chǎng)(Schiphol airport)的污水處理廠(chǎng)進(jìn)行監測,污水樣本為24小時(shí)連續采集的未經(jīng)處理的污水。研究人員使用qRT-PCR的方法,指在PCR反應體系中加入熒光基團,利用熒光信號積累實(shí)時(shí)監測整個(gè)PCR進(jìn)程,最后通過(guò)標準曲線(xiàn)對未知模板進(jìn)行定量分析的方法,以此對污水中的新冠病毒遺傳物質(zhì)RNA的基因片段進(jìn)行分析。
檢測結果顯示,在2月的污水樣本中,未發(fā)現新冠病毒的蹤跡。2月27日,蒂爾堡(Tilburg)出現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(chǎng)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)現新冠病毒的蹤跡,蒂爾堡當地的污水處理廠(chǎng)也隨即被納入到監測范圍內。
3月15日,在7個(gè)污水處理廠(chǎng)的樣品中,全部檢測到新冠病毒的RNA。接下來(lái),疫情在荷蘭境內迅速爆發(fā),污水監測的范圍逐漸擴大到4月29個(gè)、7月80個(gè), 截至9月17日,污水新冠監測的范圍擴展到300多個(gè)處理廠(chǎng),來(lái)自1700多萬(wàn)居民,幾乎覆蓋全部荷蘭人口。
更多的檢測結果驗證了污水監測的可行性和實(shí)效性。污水中新冠病毒RNA濃度與臨床報告的患者數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1-10人每十萬(wàn)人口。此外,在阿默斯福特(Amersfoort),當地首例病患出現的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,對當地疫情的判斷與決策提供及時(shí)的警示作用。
污水監測,仍需面臨的挑戰
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。如何結合人體代謝機理、進(jìn)水流量和服務(wù)人群數量等信息、更精確的反推病毒在污水集水區內的詳細傳播狀況、估算病毒來(lái)源的人數,使決策者能夠采取關(guān)鍵措施并提前部署資源,以保護社區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,正在逐步實(shí)現。荷蘭水循環(huán)研究所KWR聯(lián)合英國、希臘和西班牙的專(zhuān)業(yè)人員,正在研發(fā)名為“Sewers4COVID”的新冠病毒污水監測模型。它結合了污水流行病學(xué)學(xué)和人工智能技術(shù),可以快速、經(jīng)濟、高效地檢測全國范圍內的新冠爆發(fā)熱點(diǎn),并實(shí)時(shí)預測大流行的爆發(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和皇家英國工程大獎。此外,美國、澳大利亞等多國也已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究和監測,加入新冠病毒監測和預警的行列。
也許有人會(huì )擔憂(yōu)新冠病毒是否會(huì )通過(guò)糞便或污水傳播,目前沒(méi)有證據表明人類(lèi)會(huì )通過(guò)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,荷蘭也對污水處理廠(chǎng)處理后的出水進(jìn)行了檢測,并未發(fā)現任何新冠病毒的活性物質(zhì)。
數十年來(lái),廢水監測一直是病毒追蹤的利器。正是通過(guò)廢水監測,人們確定了脊髓灰質(zhì)炎疫苗接種的有效性。污水新冠監測可以幫助發(fā)現早期病毒蹤跡,是除了臨床測試之外,有科學(xué)基礎并且經(jīng)濟高效的測試方法。我們與疫情的“戰爭”還沒(méi)有結束,面對未來(lái)可能反彈的疫情,預警新冠病毒,或許可以從廢水中找到答案。