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废水也能追踪新冠?答案可能就藏在污水处理厂中

时间:2020-11-10 13:42:41  |  作者:  |  来源:  |  点击数:

2020年,新冠疫情在世界范围内持续蔓延,至今累计确诊人数已超过三千万人,是近百年来人类遭遇的影响范围最广的全球性大流行病。病毒的检测和筛查成为疫情防控的关键一环。核酸和抗体检测是目前通用的检测方法,但资源消耗巨大,难以对大规模人群进行监测,且无法对疫情的重新爆发进行预警。

那么,是否还存在更加高效、灵活的监测方法呢?

8月,世界卫生组织WHO发布名为“新冠病毒环境监测的现状(StatusofenvironmentalsurveillanceforSARS-CoV-2virus)”的科学简报,文中总结了通过市政污水进行新冠病毒监测的背景、方法和用途,为全球抗击疫情提供了一份指导方案。污水监测,这一方法或在未来新冠疫情的大规模防控上发挥重要作用。

 

污水流行病学如何发挥新冠病毒监测效能

世界卫生组织WHO在科学简报中总结出利用污水流行病学的方法对新冠病毒进行监测可发挥的作用。

·监测的范围大,覆盖面广,可以评估大规模的社区总体感染情况。市政污水厂通过污水管网承接了城市千家万户排放的污水,污水集水区域的人口数量少则千人,多则上百万人,覆盖的人口非常广泛,包括不能及时或者未出现症状而不进行核酸检测的感染者,因此能够更好的对疫情进行评估和预测。

 

·可预知病毒社区感染的重新爆发。由于污水新冠病毒的检测结果比临床患者出现早,因此会有预警作用。在与疫情的战斗中,需要争分夺秒,几天的预警往往会对疫情的走向起到决定性的作用。对污水进行病毒检测,能够及时发现病毒,以便提前让公共卫生和决策部门采取干预措施,降低疫情对人体健康和社会经济的不利影响。

·可作为疾病传播动态监测的辅助手段。对卫生监督结果进行有效的补充,这一点在中低收入的国家尤为重要。新冠疫情爆发后,相关核酸检测试剂供应紧张,在很多国家,大规模的监测实施起来也非常困难,而污水监测则不会占用过多的资源,也是一种“非侵入性”的监测方法。

荷兰率先开始废水追踪,监测新冠病毒

在WHO的这份简报中,荷兰等国研究人员证实了污水中的新冠病毒RNA浓度与临床病例之间的相关性,并指出,荷兰计划将污水监测纳入其国家新冠病毒的总体监测。自今年2月5日,荷兰即本国首例临床新冠患者出现的三周前,就开始进行污水新冠病毒的监测,是世界上最早进行这项研究的国家之一。经过几个月不断的监测,初步发现该方法是科学、有效、经济的,更加深入的研究正在进行当中。

污水监测,是以污水流行病(WastewaterBasedEpidemiology,WBE)的原理为手段,通过分析市政污水处理厂进水中的污染物或者生物标记物浓度,结合人体代谢机理、进水流量和服务人群数量等信息,反推该物质在污水集水区内的状况,以此探究与之相关的疾病流行程度和药物滥用等公众动态信息,并进一步协助指导决策。

该学科于2001年首次提出,在过去的十几年里,荷兰公共卫生与环境研究院(RIVM)与水循环研究所(KWR)利用该方法,通过对污水进行监测,来检测脊髓灰质炎病毒、抗生素耐药性细菌和药物滥用的状况,为疾病防控和健康决策提供了重要信息。

 

新冠疫情爆发后,全球已有十余个研究小组,包括中国的钟南山和李兰娟院士团队,都从新冠病毒患者的粪便中分离出了活的新冠病毒或其遗传物质RNA,还有研究发现病毒可在患者感染3天内出现在粪便中,远早于患者转为重症所需的时间。

新冠患者所携带的病毒很有可能会随粪便排入污水中,排入污水处理厂。一座污水处理厂可能要处理上百万人的生活废水,波及城市千家万户,其中就包括病毒携带者的排泄物。研究者确定排泄物中的病毒RNA含量后,可进而推算出感染者数量。

正是基于以上的实验结果和理论依据,荷兰的科学家们自本国疫情出现前,就率先开始对污水中新冠病毒的监测进行准备,建立项目框架,测试实验方法,跟踪废水中的病毒颗粒以期待污水能为疫情的大规模监测提供实用有效的信息。那么荷兰所采用的具体方法是怎样的呢?污水中是否能检测到新冠病毒的遗传物质?又是否可以关联污水与临床报告患者的数量呢?

 

迅速且高效,荷兰所采用的方法和研究成果

荷兰从2月5日起对5个城市的市政污水处理厂和史基浦机场(Schipholairport)的污水处理厂进行监测,污水样本为24小时连续采集的未经处理的污水。研究人员使用qRT-PCR的方法,指在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法,以此对污水中的新冠病毒遗传物质RNA的基因片段进行分析。

检测结果显示,在2月的污水样本中,未发现新冠病毒的踪迹。2月27日,蒂尔堡(Tilburg)出现了荷兰首例确诊新冠病人,且在3月5日3个污水处理厂的污水样品中,检测出了新冠病毒的RNA,这是荷兰首次在污水中发现新冠病毒的踪迹,蒂尔堡当地的污水处理厂也随即被纳入到监测范围内。

3月15日,在7个污水处理厂的样品中,全部检测到新冠病毒的RNA。接下来,疫情在荷兰境内迅速爆发,污水监测的范围逐渐扩大到4月29个、7月80个,截至9月17日,污水新冠监测的范围扩展到300多个处理厂,来自1700多万居民,几乎覆盖全部荷兰人口。

 

更多的检测结果验证了污水监测的可行性和实效性。污水中新冠病毒RNA浓度与临床报告的患者数量显示出明显的相关性,并具有极高的敏感度,精确度可达1-10人每十万人口。此外,在阿默斯福特(Amersfoort),当地首例病患出现的6天前,相关研究人员就从污水中检测到了新冠病毒的RNA,对当地疫情的判断与决策提供及时的警示作用。

 

污水监测,仍需面临的挑战

尽管荷兰的研究人员已经在污水样本中检测到新冠病毒的RNA,更精准地量化出废水样本中人群的感染程度还需要一系列前提。如何结合人体代谢机理、进水流量和服务人群数量等信息、更精确的反推病毒在污水集水区内的详细传播状况、估算病毒来源的人数,使决策者能够采取关键措施并提前部署资源,以保护社区免受大流行病的侵袭。在这些命题上,研究人员仍需要更多尝试和思考。

好消息是,这一目标,正在逐步实现。荷兰水循环研究所KWR联合英国、希腊和西班牙的专业人员,正在研发名为“Sewers4COVID”的新冠病毒污水监测模型。它结合了污水流行病学学和人工智能技术,可以快速、经济、高效地检测全国范围内的新冠爆发热点,并实时预测大流行的爆发。目前,这个模型的雏形样本已经完成,该研究小组也因此获得了欧盟嘉奖和皇家英国工程大奖。此外,美国、澳大利亚等多国也已经开展相关研究和监测,加入新冠病毒监测和预警的行列。

 

也许有人会担忧新冠病毒是否会通过粪便或污水传播,目前没有证据表明人类会通过粪便或污水传染感染,病毒RNA的存在并不能提供有关其是否具有传染性的任何信息,荷兰也对污水处理厂处理后的出水进行了检测,并未发现任何新冠病毒的活性物质。

数十年来,废水监测一直是病毒追踪的利器。正是通过废水监测,人们确定了脊髓灰质炎疫苗接种的有效性。污水新冠监测可以帮助发现早期病毒踪迹,是除了临床测试之外,有科学基础并且经济高效的测试方法。我们与疫情的“战争”还没有结束,面对未来可能反弹的疫情,预警新冠病毒,或许可以从废水中找到答案。

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