最新综述ǀ污水流行病学（WBE）用于新冠肺炎COVID-19预警

编者按

北京建筑大学郝晓地教授研究团队对最新的污水流行病学（WBE）用于应对COVID-19疫情的研究进行了综述，尽管目前相关研究还十分有限，但已足够有效证明WBE在SASR-CoV-2出现、传播以及监测方面的作用和价值。传统“点对点”式RNA或其抗体检测固有弊端也促使学者、管理者对现有疫情防控体系重新思考；同时，对具有“点对面”性质的WBE方案逐渐重视。基于目前WBE在SARS-CoV-2监测方面的研究结果，美国CDC已经开始考虑和企业、污水公司等开展WBE项目合作，用于指导疫情防控或者为可能再次爆发病毒提供预警信息。尽管我国COVID-19疫情已经得到了稳定控制，但疫情扩散、反弹风险依然存在。随着我国对水环境保护的重视和城市管网不断优化，城市污水收集覆盖率已达95%，这就为我国应用WBE作为病毒出现和传播预警机制提供了研究基础。当下我国排水系统管理正向智能化方向发展，这也为WBE研究和应用提供了可能和契机。

摘要

突发天灾新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情已蔓延至全球几乎所有国家，累计确诊病例已近350万例。这一全球大流行病尽管现阶段在我国已得到基本控制，但因不容乐观的全球疫情扩散以及SARS-CoV-2病毒无症状感染者出现，依然存在疫情反弹的巨大风险。在病毒疫苗正式投入临床应用之前，COVID-19爆发有效预警机制依然是最需要的技术手段。鉴于感染者粪便/尿液中存在病毒粒子或遗传物质核糖核酸（RNA），荷兰学者提出了基于污水流行病学（WBE）监控SARS-CoV-2出现并传播的设想。目前，污水中SARS-CoV-2病毒有限RNA检测研究已经证明了这一技术作为疫情预警的可行性，亦可能根据WBE检测结果表征病毒传播动态与趋势、估算感染群体比例，甚至在一定范围内进行感染群体追踪。在总结WBE技术在我国发展应用基础上，对已有污水中SARS-CoV-2 核酸（RNA）检测研究结果、应用价值和指导意义进行综合分析，总结WBE研究标准化方案，辨析急需深入研究的方向领域。这对我国下一阶段疫情防控具有相当的启发与参考价值。

新冠病毒肺炎（COVID-19）已被世界卫生组织（WHO）界定义为全球大流行病。截至2020年4月底，全球被感染人数已累计超过300多万例，且确诊人数增加趋势在国外继续。反观我国抗疫情况，自2019年12月出现首例COVID-19感染者，到爆发并扩散至全国（累计确诊8万多例），我们依靠制度优势迅速调集全国军队、地方医疗力量，经过2个多月的拼死努力已基本控制住全国疫情，取得抗疫阶段性胜利。目前，国内正采取复工、复产行动，疫情防控已开始进入常态化管理。由于境外疫情扩散目前仍然未能见顶，且病毒疫苗尚未进入临床应用，所以，我国外防输入、内防反弹的压力依然很大。核酸（RNA）与抗体联合检测、相互配合可以有效甄别新冠病毒(SARS-CoV-2)感染者以及无症状感染者，从而化解病毒再次传播的风险。但是，核酸和抗体检测作为典型“干预式”、“点对点”筛查手段，不仅耗时费力，还会因被检测个体所处不同感染阶段而导致错检或漏检，并不具有提前研判疫情的能力。这就导致对病毒传播预警机制的热切期盼。目前，越来越多证据表明，肠道系统组织细胞很可能也易遭SARS-CoV-2侵入；而腹泻等肠道系统不适也已被认定为COVID-19的典型症状之一。这就是在病毒感染者粪便/尿液中已多次检出SARS-CoV-2遗传物质（RNA）存在的原因；病毒因此有可能通过排水管道系统进入水环境，继而引发人们对粪口传播病毒之担忧。除个别研究在病毒感染者粪便/尿液中通过培养检出了具有活性的病毒外，其他研究并没有对所采集的粪便、尿液进行病毒活性培养检验。但是，至今仍没有病毒粪口传播发生的报告，因此，SARS-CoV-2病毒通过污水传播可能性较小。从污水中检测到病毒或其遗传物质RNA也为病毒传播预警或疫情爆发判断提供了一种新的思路：可以通过检测SARS-CoV-2遗传物质RNA在污水中是否存在来研判COVID-19感染者存在与数量多寡，可以基于污水流行病学（Wastewater-based Epidemiology, WBE）或环境检测（Environmental Surveillance, ES）疾病建立可行的病毒预警机制。实际上，WBE早已被用于监控水传播疾病在人群中的传播情况，在日本和以色列已体现出其在预警脊髓灰质炎病毒方面的价值。目前，虽然有限但很有价值的相关研究已证明WBE技术在预测SARS-CoV-2病毒传播方面的可行性，甚至这项技术可以早于医学临床检测并预警病毒存在并扩散的风险。WBE作为一种“非干预式”、“点对面”之检测手段，能够弥补核酸或抗体检测的弊端，为预警疫情再次爆发及时提供信息。国内虽已有在粪便和污水中检测到SARS-CoV-2病毒的较早报道，但尚无基于WBE的类似研究，所以，我们试图综述、总结目前已公开发表的与COVID-19病相关之WBE研究进展。首先，介绍WBE技术原理及在我国的应用情况；其次，分类讨论现有SARS-CoV-2病毒检测WBE研究成果，同时分析其应用价值与指导意义；最后，对可用于WBE研究的标准化方法与亟待深入研究的方向进行把脉。这对我国下一阶段疫情防控具有相当启发与参考价值01污水流行病学（WBE）

1.1 原理与应用

污水流行病学（WBE）是通过量化分析污水中目标化学或生物标记物来定性或定量推演污水收集区域居民活动与健康情况的一种调查监控方法，其过程方法如图1所示。这一思路首先由美国环保署（US EPA）研究员在2001年提出，随后在一些国家获得应用。2005年，意大利研究人员对4座污水处理厂进水中的可卡因代谢物含量进行了检测，揭示了该区域人群可卡因使用趋势，证明这种方法的可操作性。从此，WBE方法逐渐获得研究者与管理者的青睐；被检测的标记物种类也越来越为广泛，包括非法药物、处方药、代谢物、PPCPs、抗生素等。2010年，欧洲毒品和毒瘾检测中心（EMCDDA）成立了SCORE（Sewage analysis CORe group - Europe）小组，旨在通过标准化污水取样、保存和检测等方法在欧洲建立非法药品使用WBE监测网络。2017年，澳大利亚刑事情报委员会（ACIC）实施了“国家基于污水药品使用监测”（NWDM）计划，用于监测甲基苯丙胺使用情况，可以覆盖54%澳大利亚人口。

水传播病毒占污水中微生物群体较多成分，而且也是人类很多疾病主要传染、扩散方式。为此，国外一些研究人员提出将WBE用于水传播疾病的检控，例如，对脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒和诺如病毒等的检测，并已在日本和以色列获得实际应用。此外，在污水中也常会检测到一些动物传染病毒，例如，禽流感和SARS病毒，它们完全符合应用于WBE研究的原理，这也是目前一些学者提出应用WBE预警SARS-CoV-2病毒的理论基础。

图1污水流行病学（WBE）调查方法示意图

图1显示，WBE基本工作原理可分为三个阶段：标记物释放、标记物输送与标记物回收检测。通过在污水收集干管泵站或污水处理厂进水口采样检测选定标记物，可定性对某种化学物或病源体在人群中的使用或存在情况进行分析判断。对COVID-19疫情来说，标记物便是SARS-CoV-2病毒遗传物质RNA。因病毒不能在寄主细胞外进行复制，所以可基于三阶段效率参数，由函数（式1）反推估算病毒在人群中的传播情况、感染者数量或在人群中的占比。显然，标记物释放量确定、标记物在管道中输送动态变化以及标记物取样和检测方法（PCR）都可能给函数（式1）计算带来不确定性，这也就成为新冠病毒WBE研究的主攻方向。有关WBE技术优缺点、具体实施流程等详细信息可参考已有文献。

N=f(M, Q, η, q, m, P) （1）

其中，N—关联对象人数/标记物所占比例；M——标记物浓度；Q——取样处污水总量；η——标记物在管道中输送效率；q——对象个体污水产生量；m——对象个体标记物产生量；P——区域人口总量。

1.2 国内应用

WBE技术取决于污水收集系统等基础设施的发展与完善，所以，它在我国的研究、应用起步较晚。2013年，济南市疾病预防控制中心报道了在山东某地完成的一起疫苗衍生脊髓灰质炎病毒流行病学调查与处置情况，成为国内首先应用WBE技术指导疾病防控的不多案例。到目前为止，文献检索可获得有关“污水流行病学”为主题的中文论文共30篇，其关键词共现网络如图2所示。显然，我国有关WBE研究主要集中于对毒品滥用的检测分析，其他标记物包括城市烟草以及诺如病毒等。研究人员在辽宁和吉林15个城市选取17座市政污水处理厂，对甲基苯丙胺用量进行了WBE研究分析；对甲基苯丙胺在该地区用量进行反推估算获得了有价值的WBE定量分析结果。然而，我国目前其他WBE研究取样范围大多局限于一两座污水处理厂，而且有关图1所示三阶段效率的研究基本空白，同时也没有标准化WBE应用方案，整体上仍处于方法验证水平。

图2 我国WBE研究关键词共现网络分析

02  WBE应用于COVID-19预警

2.1研究案例概述

2020年3月24日，荷兰国家水研究中心（KWR）首次报道了污水中检测到SARS-CoV-2遗传物质RNA研究成果。研究人员在荷兰6个城市与阿姆斯特丹史基辅机场附近展开3批次污水采样监测（2月5日 至3月16日），其研究时间比荷兰临床确诊COVID-19首例病例（2月27日）还早3周时间。检测结果显示，在2月6日所取污水样中，SARS-CoV-2病毒RNA结果检测均为阴性；但在3月5日大部分污水样中（5/8）RNA检测结果已呈阳性；至3月15日，几乎在所有污水样品中均检测到了SARS-CoV-2病毒RNA（9/10）。这一初步研究结果无疑为COVID-19疫情防控提供了一种“非干预式”可行替代方案。在此之后，不同国家研究人员陆续开展了相关研究，均在污水中检测到了SARS-CoV-2遗传物质RNA，并试图从结果中挖掘更多有价值信息，以评价WBE在指导疫情防控中的作用和意义。表1总结了目前已公开发表的针对COVID-19的WBE研究结果，可以直观分析WBE在控制SARS-CoV-2病毒传播方面的指导作用。表1所列全部研究均遵循图1所示研究流程，标记物为SARS-CoV-2中的RNA，检测方法则为临床病毒检测广泛使用的RT-PCR法。

表1 不同国家针对SARS-CoV-2病毒WBE研究结果