追蹤病毒行進(jìn)的路線(xiàn)，成為污水的守望者
為了服務(wù)更多水行業(yè)技術(shù)人員，《凈水技術(shù)》雜志社以我國(guó)一線(xiàn)水行業(yè)技術(shù)工作者對(duì)最新科研成果與動(dòng)態(tài)的求知需求為出發(fā)，針對(duì)最新科研成果與技術(shù)，將最新SCI文章進(jìn)行翻譯整理，力求為廣大讀者提供幫助。
編者按
世界各地的研究小組都在研究城市污水監(jiān)測(cè)是否能被整合到SARS-CoV-2和其他病原體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。作者Charles Schmidt梳理了疫情發(fā)生以來(lái)世界各國(guó)污水監(jiān)測(cè)預(yù)警的情況，小編對(duì)本文進(jìn)行了翻譯，由于翻譯能力有限，譯文可能有誤，請(qǐng)以原文為準(zhǔn)。
今年6月，美國(guó)各地對(duì)COVID-19解除封鎖后，該國(guó)一些地區(qū)新增病例數(shù)突然開(kāi)始增加。現(xiàn)在，休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的微生物學(xué)家Anthony Maresso提供技術(shù)支持，休斯頓的衛(wèi)生官員正在該市龐大的下水道系統(tǒng)中追蹤這種疾病的病原體SARS-CoV-2。他們每周都要在38個(gè)地方進(jìn)行取樣，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在城市中病毒傳播呈波狀流動(dòng)的活動(dòng)模式：一個(gè)地區(qū)確診病例可能減少，而它附近地區(qū)的確診病例開(kāi)始上升。”
來(lái)自世界各地的研究表明，SARS-CoV-2的遺傳痕跡與COVID-19疾病趨勢(shì)相關(guān)。一項(xiàng)研究報(bào)道稱(chēng)從荷蘭的阿默斯福特收集的污水樣本，在該城市被診斷出COVID-19的六天前就呈陽(yáng)性檢測(cè)，表明”廢水監(jiān)測(cè)可以作為SARS-CoV-2社區(qū)傳播的早期預(yù)警。”（SCI搬運(yùn)工 | 污水流行病學(xué)（WBE）應(yīng)用于COVID-19的全球經(jīng)驗(yàn)）
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衛(wèi)生官員依賴(lài)于病人的臨床診斷來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這種方法忽略了未報(bào)告的病例，因此低估了實(shí)際發(fā)病率和未來(lái)的住院人數(shù)。水研究基金會(huì)的首席執(zhí)行官彼得·格雷瓦特(Peter Grevatt)表示，迄今為止的證據(jù)表明，廢水中的病毒信號(hào)與臨床病例的趨勢(shì)相關(guān)，這使得當(dāng)時(shí)成為疾病流行的領(lǐng)先指標(biāo)，并為COVID-19減少后可能再次出現(xiàn)的先兆。已知的未知數(shù)
SARS-CoV-2在糞便和污水中仍具有傳染性的程度仍不確定。該病毒可在表達(dá)其結(jié)合位點(diǎn)的血管內(nèi)皮上皮細(xì)胞中高效復(fù)制-血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2受體。在2002年至2003年的SARS流行期間，在香港高層公寓的管道系統(tǒng)中被檢測(cè)到SARS冠狀病毒。據(jù)推測(cè)，某些感染可能是由于暴露于從浴室通風(fēng)口和開(kāi)放的地漏向空氣中遷移的霧化病毒顆粒引起的。最近的一項(xiàng)研究表明，通過(guò)沖水的馬桶向上拋出的霧化SARS-CoV-2可以在空中的云中盤(pán)旋數(shù)分鐘，作者認(rèn)為廁所可以促進(jìn)病毒傳播。科學(xué)家推測(cè)，新鮮糞便構(gòu)成最大的暴露風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也有專(zhuān)家表示，SARS-CoV-2可能無(wú)法在腸道細(xì)胞中正確復(fù)制，因此病毒后代可能無(wú)法感染其他人。此外，去污劑和pH值的變化可能會(huì)破壞病毒，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖鬯袀鞑r(shí)，同時(shí)稀釋將其濃度降低至低于感染劑量的水平。
圖源：攝圖網(wǎng)
污水監(jiān)測(cè)的歷史檢測(cè)污水中的病毒由來(lái)已久。在20世紀(jì)40年代，細(xì)胞培養(yǎng)方法被用于監(jiān)測(cè)污水中的脊髓灰質(zhì)炎和其他病毒病原體。在20世紀(jì)80年代采用了cDNA探針雜交技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)甲型肝炎病毒，在90年代科學(xué)家開(kāi)始轉(zhuǎn)向更敏感的聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)方法，這種方法至今仍在該領(lǐng)域廣泛使用。
污水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
世界各國(guó)目前正在啟動(dòng)污水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，目的是預(yù)測(cè)疫情新爆發(fā)，加強(qiáng)防備，并為開(kāi)放學(xué)校、餐館和其他公共場(chǎng)所的計(jì)劃提供信息。例如，西班牙的科學(xué)家已經(jīng)宣布計(jì)劃每周對(duì)250個(gè)污水處理廠(chǎng)進(jìn)行兩次取樣。今年3月，以色列本古里安大學(xué)(Ben Gurion University)和衛(wèi)生部的研究人員開(kāi)始對(duì)污水進(jìn)行常規(guī)取樣，以檢測(cè)SARS-CoV-2的蹤跡。在美國(guó)， BioBot Analytics公司正在代表全國(guó)400多家污水處理廠(chǎng)進(jìn)行樣品分析。
美國(guó)疾病控制和預(yù)防中心(CDC)的環(huán)境微生物學(xué)家艾米·柯比(Amy Kirby)說(shuō)：“污水監(jiān)測(cè)的科學(xué)仍在發(fā)展，但有證據(jù)表明，它可以成為一個(gè)特定社區(qū)流行趨勢(shì)的有用指標(biāo)。”Kirby補(bǔ)充說(shuō)：“疾控中心目前正在評(píng)估污水監(jiān)測(cè)的效用，以提供可靠和可操作的應(yīng)對(duì)信息，并計(jì)劃建立一個(gè)全國(guó)住房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并解讀污水?dāng)?shù)據(jù)，為應(yīng)對(duì)COVID-19提供信息。”
現(xiàn)在還處于早期階段，Kirby表示，不應(yīng)僅將污水監(jiān)測(cè)用于做出公共衛(wèi)生決策，而應(yīng)“與流行病趨勢(shì)的其他臨床指標(biāo)相一致”。
污水監(jiān)測(cè)發(fā)展協(xié)議
目前，制定檢測(cè)未經(jīng)處理的污水中SARS-CoV-2的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)程已成為該領(lǐng)域的優(yōu)先事項(xiàng)。6月，水研究基金會(huì)開(kāi)始組建一個(gè)專(zhuān)家小組，負(fù)責(zé)評(píng)估現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室方法，并選擇產(chǎn)生最可靠結(jié)果的方法。他們需要更好地了解不同實(shí)驗(yàn)室的方案，如何根據(jù)它們使用的PCR引物組以及濃縮和保存遺傳信號(hào)的方法進(jìn)行比較。
污水樣本一般從流入污水處理廠(chǎng)的未經(jīng)處理的污水中采集，或在某些情況下從下水道、泵站或個(gè)別建筑物(如醫(yī)院)的管道系統(tǒng)中采集。有機(jī)物含量、工業(yè)廢料、腐殖酸、溫度、降雨、海水和其他變量可以抑制、延緩或改變病毒信號(hào)，而病毒信號(hào)在一天中不斷變化。基于這個(gè)原因，在多個(gè)小時(shí)內(nèi)采集的復(fù)合樣本比在單一時(shí)間點(diǎn)采集的樣本更具代表性。
SARS-CoV-2病毒在污水中被高度稀釋?zhuān)虼藢⑵錆饪s成較小的液體量對(duì)分析過(guò)程至關(guān)重要。有些實(shí)驗(yàn)室使用靜電過(guò)濾器來(lái)濃縮病毒，帶負(fù)電荷的病毒會(huì)吸附到靜電過(guò)濾器上。基于尺寸排除的超濾是另一種選擇，如聚乙二醇沉淀。
上述方法在環(huán)境病毒學(xué)中有著悠久的歷史，但它們是為諾如病毒、甲型肝炎病毒等無(wú)包膜腸道病毒而發(fā)展起來(lái)的。相比之下，SARS-CoV-2是一種包膜病毒，這意味著外部的脂膜保護(hù)著它的RNA基因組。風(fēng)險(xiǎn)在于目前的方法過(guò)于苛刻，以至于病毒在濃縮過(guò)程中分解，其中一部分RNA在被檢測(cè)到之前就丟失了。
用于病毒檢測(cè)的逆轉(zhuǎn)錄和PCR (RT-PCR)引物組也可能是這樣。目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都使用CDC為臨床診斷目的而選擇的引物——特別是針對(duì)SARS-CoV-2核衣殼蛋白1 (N1)和2 (N2)基因的引物，這兩個(gè)基因是病毒基因組的保守區(qū)域。根據(jù)Kirby的說(shuō)法，N1和N2引物對(duì)SARS-CoV-2具有高度特異性。
污水監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)果呈平行的趨勢(shì)
到目前為止，污水取樣結(jié)果和診斷趨勢(shì)之間的相關(guān)性看起來(lái)很強(qiáng)。對(duì)從事COVID-19污水監(jiān)測(cè)工作的人來(lái)說(shuō)，最令人鼓舞的是，獨(dú)立小組的數(shù)量能夠證明臨床確診病例數(shù)量與相應(yīng)下水道中RNA信號(hào)強(qiáng)度之間高質(zhì)量相關(guān)性。
漢普頓公路環(huán)衛(wèi)區(qū)(HRSD)已經(jīng)對(duì)污水中的腸道病原體進(jìn)行了多年的監(jiān)測(cè)， HRSD的化學(xué)家在3月初發(fā)現(xiàn)了SARS-CoV-2信號(hào)，當(dāng)時(shí)該地區(qū)只有兩例COVID-19確診病例。到目前為止，分析趨勢(shì)“似乎與弗吉尼亞州衛(wèi)生部提供的診斷信息相吻合。”他補(bǔ)充道。此外，基因信號(hào)強(qiáng)度的趨勢(shì)因不同服務(wù)區(qū)的特征而不同，有些國(guó)家擁有更多的工業(yè)和醫(yī)院。
由亞利桑那州坦佩市發(fā)起的污水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目還顯示了污水中的病毒載量如何隨人口的性質(zhì)而變化，瓜達(dá)盧佩的COVID-19發(fā)病率比周?chē)鸟R里科帕縣高出4倍以上。此外，瓜達(dá)盧佩的污水中的病毒載量一直在升高，盡管在市政府官員于4月和5月實(shí)施封鎖期間，坦佩較富裕地區(qū)的污水水平有所下降。
BioBot的Matus將污水監(jiān)測(cè)描述為監(jiān)測(cè)高危地區(qū)的一種有效的“熱點(diǎn)定位工具”，并補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)在街道或建筑層面采樣，科學(xué)家可以更細(xì)致地了解當(dāng)?shù)氐募膊≮厔?shì)。取樣顯示，污水中的病毒濃度因社區(qū)的不同而不同，這取決于家庭的平均收入和獲得醫(yī)療保健的機(jī)會(huì)。有專(zhuān)家表示，如果想部署資源抗擊COVID-19，我們需要把重點(diǎn)放在服務(wù)不足的社區(qū)。
污水監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)
Alm和Matus表示，他們的模型現(xiàn)在已經(jīng)超出了趨勢(shì)估計(jì)的范圍，無(wú)法推斷出特定地區(qū)的感染人數(shù)。6月23日，BioBot團(tuán)隊(duì)及其合作者在medRxiv發(fā)布了一份研究報(bào)告，該報(bào)告指出，馬薩諸塞州城市污水處理廠(chǎng)的病毒載量在服務(wù)總計(jì)225萬(wàn)人飆升的診斷病例激增。該病毒在3月3日從該水廠(chǎng)的樣本中首次檢測(cè)到的，當(dāng)時(shí)服務(wù)區(qū)域中只有兩個(gè)人被診斷出患有COVID-19。四天后，新冠肺炎的臨床報(bào)告達(dá)到了相應(yīng)的高度，這符合從感染到癥狀出現(xiàn)的典型的4~5 d潛伏期。
然而，另一些專(zhuān)家則持懷疑態(tài)度，他們認(rèn)為，考慮到建模的不確定性，特別是在排污率方面，污水監(jiān)測(cè)目前更適合于對(duì)特定地區(qū)的疾病發(fā)病率是下降還是上升進(jìn)行更有限的評(píng)估。
馬薩諸塞州公共衛(wèi)生部傳染病和實(shí)驗(yàn)室科學(xué)局的醫(yī)學(xué)主任勞倫斯·馬多夫(Lawrence Madoff)說(shuō)，污水監(jiān)測(cè)不能取代其他監(jiān)測(cè)方法，他認(rèn)為所有這些方法都是互補(bǔ)的。但他補(bǔ)充說(shuō)，到目前為止，污水監(jiān)測(cè)的證據(jù)是令人鼓舞的和可操作的。這可以促使工作者通過(guò)觀(guān)察其他信號(hào)（如檢測(cè)或住院數(shù)據(jù)），來(lái)更仔細(xì)地觀(guān)察特定區(qū)域的情況。
特拉華州紐卡斯?fàn)柕目h長(zhǎng)馬修·邁耶（Matthew Meyer）表示，污水監(jiān)測(cè)已經(jīng)在他所管轄區(qū)（大約有56萬(wàn)居民）的大流行應(yīng)對(duì)措施中提供了信息。縣政府官員每周都要從該地區(qū)的11個(gè)污水處理分站獲取最新的采樣數(shù)據(jù)，據(jù)邁耶（Meyer）說(shuō)，其覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了臨床測(cè)試的可行性。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的微生物學(xué)家羅布·奈特（Rob Knight）說(shuō)，對(duì)COVID-19的污水監(jiān)測(cè)顯示出巨大的潛力。他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃監(jiān)測(cè)食堂、宿舍和其他校園建筑中的污水樣本，這是作為該校“重返校園”計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃還包括對(duì)SARS-CoV-2檢測(cè)呈陽(yáng)性的學(xué)生進(jìn)行聯(lián)系追蹤和隔離居住。但奈特說(shuō)，仍然需要從不同人群獲得更多數(shù)據(jù)，特別是關(guān)于流失率以及其控制因素的數(shù)據(jù)。
本文作者：Charles Schmidt Portland， ME， USA.