在人类污水中追踪新冠、癌症和疾病

2020年末，北半球迎来了冬季和节假日，新冠病毒（SARS-CoV-2）在还没有疫苗的情况下迅速传播。COVID-19的全球死亡率随之飙升。科学家和公共卫生官员迫切想找到追踪新冠病毒传播的新方法——新冠病毒的传播速度往往比密接追踪还要快。

香港大学的环境工程师和微生物学家张彤和同事提出的一种监测方法迅速推广开来。在香港特区政府的支持下，他们一直在全市几十个维修孔采集周期性污水样本，并检测污水中的冠状病毒DNA。12月底，他们发现有一波感染来自一栋尚无感染病例的公寓楼^[1]。

政府很快采取了行动。相关人员检测了楼里的2000名住户，9人为阳性。张彤说：“这些人被带到了一个隔离点，这样就能阻断传播链。”取得这次成功后，他和同事们决定扩大检测范围。

时至今日，污水检测仍是香港抗击COVID-19的一个策略。张彤团队每周对全城约20个点检测新冠病毒，他说，团队对这些样本的检测现在包含更多病原体，包括流感病毒、轮状病毒、诺如病毒和猴痘病毒，以及抗微生物耐药标志物。他认为污水检测是即刻评估整个群体健康水平的一种方式。他说：“如果我们能把这种方法标准化，这种工具就是全世界筛查病原体的一种“充满希望且令人振奋”的方式，包括那些还没有被发现的病原体。”

许多研究人员都在采用类似方法。全球目前有超过4600个在污水中寻找新冠病毒的采样点，有些团队还在尝试其他潜在应用，如追踪非法药物使用，甚至是癌症发病率。

但这种方法是否能作为一种高效的公共卫生策略仍有争论。张彤在香港大学公共卫生学院的同事Leo Poon表示，卫生机构扩大污水检测项目前应该做更多研究，让这种监测项目能被列入常规预算。“还有很多我们不知道的事，”他说，尤其是关于检测新冠病毒以外的病原体。“我认为现在的学习曲线还很陡：如果我们检测到了某种物质，这说明了什么？”

早期成就

通过污水追踪COVID-19的许多项目都有类似的开头。科学家在疫情很早就知道污水中可以检验到新冠病毒^[2]，并向当地水务局和卫生机构申请获得样本。

到了2020年底，多项研究显示，公共水系统的冠状病毒水平可能与社区的COVID-19病例数相关。比如，斯坦福大学的研究团队发现，污水中的病毒水平会随旧金山湾区的病例数起伏^[3]。领导这项研究的团队在此基础上发起了WastewaterSCAN项目，检测美国近200个点的样本（见“传播高峰”）。

来源：WastewaterSCAN

科学家认为，最成功的污水检测项目能让研究人员与公共卫生官员直接合作，卫生官员可以利用数据制定COVID-19安全政策。这已经在加纳农村开展了，和中国香港一样，那里也在污水检测中发现了被其他监测方式“遗漏”的COVID-19病例。埃默里大学的全球安全用水、清洁与卫生中心的公共卫生研究员Habib Yakubu与加纳的科研团队共同开发了检测技术，用到了该国有限的公共下水道和实验室设备。他们在Nanumba North和Mion这两个村进行了试点，那里的政府人员推断COVID-19可能发生了传播，但临床检测并没有发现任何病例。

该团队与社区领袖一起寻找合适的采样地点，包括学校、医疗设施、菜市场和洗衣服的水源。Yakubu说：“我们看的是，哪里是人群集中的地方？”团队发现，事实上，COVID-19在这些地区已经存在。为此，官员加大了公共卫生行动，包括社区宣传和疫苗接种。该团队还筛查了加纳常见的其他疾病，包括霍乱和伤寒，筛查结果也指导了卫生行动。

对印度Tata遗传学与社会研究所的科学家来说，COVID-19污水检测在2021年初新冠病毒Delta变异株席卷全国后变得尤为必要，Tata领导全市COVID-19检测项目的演化生态学家Farah Ishtiaq说。她和同事与政府人员合作在班加罗尔的28个水处理厂开展了检测——这是个很费事的任务，因为团队必须人工采集样本，不像高收入国家能使用样本自动采集设备。

这次检测行动的意义在班加罗尔次年开始传播Omicron后得到了证实，Ishtiaq说。在医疗系统数据还非常有限的时候，污水数据显示Omicron变异株已经在全市大面积传播。她说，政府人员立即要求戴口罩并限制大规模聚集。

在这类现实案例的启发下，该领域在过去四年里快速壮大，加州大学默塞德分校的环境工程师Colleen Naughton和同事设计的COVIDPoops19数据表显示，现在有数百个研究团队在72个国家进行检测（见“覆盖不均”）。

来源：COVIDPoops19 (https://go.nature.com/4ATGHY)/World Bank

粪便检验

2023年12月到2024年1月，COVID-19显然又在全球多地传播。但公卫当局已经取消了大部分传统检测和监测项目，致使我们对新冠病毒的传播情况很不确定，这也引发了大家对污水流行病学的突然关注。

有科学家和网上的评论人士指出，污水中的新冠病毒含量与具体病例数对应，并预计美国和欧洲会出现感染高峰。但其他人认为，污水检测的可靠性不足以用来预测真实的感染人数。这些估算数据会给人一种错误的准确感，美国东北大学研究COVID-19数据系统的流行病学家Sam Scarpino说。

估算数据其实很难计算，因为污水数据与传统卫生指标有实质性差别。在传统的监测项目中，数据能代表密接追踪、隔离和接受救治的个体感染者。而在污水监测行动中，数据只能代表整个群体。

加拿大渥太华大学公共卫生医生Douglas Manuel说，这就好比“用一升水来代表100人”。Manuel和他的同事发现了会改变这类筛查结果的多个变量；包括人口密度、降水量、样本构成、处理和检测方法，以及质量控制措施^[4]。比如，渥太华春季融雪后，雪会流入污水系统，冲刷管道里积聚的固体废物，Manuel说。这可能会影响与新冠病毒检测相关结果。

为了综合考虑这些变量，研究团队会比较同个采样点不同时间的数据。美国疾控中心提出了一个名为污水病毒活动水平的指标，用以比较检测点近来的新冠病毒测量值与历史数据，再对更大区域的这些比较取平均值。

这些比较指标在向社会报道污水检验结果时很有帮助，但也会掩盖这些数据的复杂性。伊斯坦布尔马尔马拉大学的环境工程师、土耳其污水检测项目协调员Bilge Kocamemi表示，她很快就意识到，这些数据的科学代表性很难被公众理解。所以，她和同事开发了一个相对简易的COVID-19地图：用不同程度的黄色和绿色表示各个检测点，具体程度取决于新冠病毒水平高低。这个色标并不精确，Kocamemi说，但对于没有科学背景的人来说很好理解。

精确估算

根据污水中病毒水平模拟感染人数或模拟COVID-19社区传播的其他指标（如预计住院人数）是很难的，但不是做不到，参与这一挑战的科学家表示。这类模型能帮助卫生官员基于污水数据制定政策。

美国疾控中心在2022年成立的预测与疾病暴发分析中心是接受该挑战的团队之一。污水数据能很好地指明COVID-19给医院造成的负担，该中心主任Dylan George说。2月，George和他的同事发布了根据污水数据建立的新的医院预测模型（见go.nature.com/43xumbz）。研究显示，这类模型将污水数据与医疗系统数据结合使用后，比只使用单一数据的准确度更高^[5]。

George提醒道，仍需开展进一步研究理解污水中病毒水平与社区内疾病水平的关系。比如，有些科学家认为，病毒水平可能会随新冠病毒的变异而波动，JN.1变异株可能会使人排出更多病毒颗粒，或是排病毒的时间变长，George说。“我认为这是今后值得研究的重要课题。”

建模人员希望能获得更详细的临床检测数据，来更好地比较污水检测结果和社区感染情况。在污水中检测其他病毒的难度更大，波士顿飞机和机场污水分析公司Ginkgo Bioworks的科学家Casandra Philipson说，还有对新的生物安全工具开展研究。Philipson表示，COVID-19、流感和呼吸道合胞病毒都有很好的临床数据。但她说，“除了这三种病原体外，数据缺失是个严重问题。”

污水中还能检测什么？

一些科学家也很关注人类排泄物能指示出的其他疾病和卫生指标。

欧盟联合研究中心协调污水项目的Bernd Manfred Gawlik称，污水是“城市的肮脏血液”，并将污水采样比作采血。他说：“我们才刚开始理解如何在集体水平上诊断这种血液。”

一个常见的检测目标是抗微生物药物耐药性（AMR），这是新冠大流行前就已存在的污水研究领域。班加罗尔的Ishtiaq说：“AMR在这个地方是个很严重的问题”，因为很多人都在使用不受管制的抗生素。她的研究已经从COVID-19检测，延伸到了一个能检测病毒，同时还能检测细菌感染的多层面基因组平台。她说，污水数据有助于理解哪些病原体引发了感染，并将信息传达给医生。

突尼斯市巴斯德研究所的分子生物学家和生物信息学家Fatma Guerfali也在追踪突尼斯的AMR，该国被认为是这方面风险最大的国家之一。Guerfali表示，她和同事正在与国家卫生局合作，同时与其他非洲国家的科研合作者共同研究如何将这个从COVID-19检测开始的项目规模化。

除了AMR和流感病毒这些全球性检测目标，污水检测的优先目标还取决于当地面临的卫生问题。这类检测会发现各种各样的病原体，科研人员通常会与卫生机构确定优先检测哪些指标。比如在路易斯维尔大学的健康空气、水和土壤中心主任Ted Smith和同事就在检测当地卫生机构很关注的包含约30种病原体的“泛病毒组列表”（panvirome panel）。他说，去年，该检测行动发现了该州的麻疹暴发，卫生官员利用数据推进了疫苗接种项目，给医生和其他医疗工作发出了预警。

扩大的另一个领域是检测人类排入污水中的化学物质。有些研究人员，比如马萨诸塞州初创公司Biobot Analytics的团队正在筛查阿片类药物和其他有滥用风险的药物。Smith和同事正在检测污水中指示空气污染暴露的化合物，他们已经开始研究铅水平。他说：“我们每天都会找到可以从污水中筛查的新东西。”

一些研究人员甚至不局限于人类传播疾病，开始关注动物传播疾病。2022年，科学团队发表了纽约市污水中的新冠病毒新变异株与纽约市老鼠的关联研究^[6]。Ishtiaq正在研究班加罗尔的禽流感，而肯尼亚国际牲畜研究所的科学家Ekta Patel正在研究当地的动物疾病。

Patel和她的同事在给屠宰场的污水采样，检测其中的66种病原体，包括炭疽、布鲁氏菌和裂谷热。为了补充更多数据，Patel希望她的团队能采集来自兽医诊所和社区医院的样本。

一些污水科学家提到，如果新冠大流行早期就有健全的全球污水监测系统，情况可能会很不一样。Scarpino说，研究人员可以在新冠病毒测序结果发布后，立即追溯和筛查全球污水。这一筛查行动或许能发现新冠病毒已经传播的地区，指导防疫政策，从而在临床检测工具大规模推广前将病毒遏制住。

Scarpino指出，这类系统需要很大的财政投入，能负责这类项目的国家和科学领导人，以及方便污水数据在国家间比较的标准^[7]。

当前的新冠检测领域“脱胎于需求和混乱”，纽约市洛克菲勒基金会污水监测人员Megan Diamond说，世卫组织、欧盟、非洲疾控中心这类全球和区域机构也许能主动发布关于检测、数据共享和标准的指导。

Gawlik参与了一个这类项目：全球公共卫生污水与环境监测合作组，也称GLOWACON，该合作组今年3月在布鲁塞尔成立。通过招募全球300多名合作者，包括科学家、政府官员和跨国机构代表，他希望该团队能推进发现诊断全球城市“脏血”的新方法。

参考文献：

1.Deng， Y. et al. Environ. Health Perspect. 130， 057008 (2022).

2.Medema， G.， Heijnen， L.， Elsinga， G.， Italiaander， I. & Brouwer， A. Environ. Sci. Techol. Lett. 7， 511–516 (2020).

3.Graham， K. E. et al. Environ. Sci. Technol. 55， 488–498 (2021).

4.Therrien， J.-D. et al. Water Sci. Technol. 89， 1–19 (2024).

5.Hill， D. T. et al. Infect. Dis. Model. 8， 1138–1150 (2023).

6.Smyth， D. S. et al. Nature Commun. 13， 635 (2022).

7.Keshaviah， A.， Diamond， M. B.， Wade， M. J. & Scarpino， S. V. Lancet Glob. Health 11， E976–E981 (2023).

本文来自微信公众号：自然系列（ID：nature-portfolio），作者：Betsy Ladyzhets