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如果病毒卷土重来,污水监测可以作为早期预警信号。
- 2020-04-15-

对于新冠病毒是否存在粪-口传播的争论,目前仍然没有结论。在关注粪-口传播风险的同时,研究人员称基于废水的流行病学研究,能为新冠病毒在大规模人群中的感染水平提供数据。在全球检测试剂有限,无法让大多数人接受新冠病毒检测的情况下,目前国际上十几个团队的科研人员希望通过分析含有新冠病毒的废水,对城市总体感染水平做出判断。中科院一团队提出了一种基于污水的流行病学原理(WBE)的污水检测方法。我们有理由相信如果病毒卷土重来,污水监测也可以作为早期预警信号。

如果病毒卷土重来,污水监测可以作为早期预警信号。

 

1、通过污水检测有效地估计感染规模

鉴于全球大多数人不接受检测,因此全世界有十几个研究小组已开始分析废水中是否存在新的冠状病毒,以此作为估计社区感染总数的一种方法。目前为止,研究人员已经在荷兰、美国和瑞典的污水中检测到了这种病毒的踪迹。此前已经有数据表明,新冠病毒能够通过人体的尿液或粪便排出。荷兰新维生根市的KWR水循环研究所正在进行对污水中病毒的监测工作。KWR微生物学家格特扬·玛提姆教授表示,一个污水处理厂可以处理100多万人的废水。监测这种规模的疾病感染情况,能比试剂检测更准确地估计新冠病毒的传播范围。

今年2月27日,荷兰确诊了全国首例新冠患者。仅四天后,研究人员在荷兰蒂尔堡史基浦机场的废水中检测到新冠病毒的核酸样本。现在荷兰已经计划将污水采样范围扩大到荷兰所有12个省的首府以及其他12个没有确诊病例的地区。玛提姆教授所在的阿默斯福特市,早在社区尚未发现感染病例前,他的研究小组就已经在城市污水中检测到了新冠病毒。这将能够为大规模人群中感染病毒的真实水平提供重要信息。玛提姆教授认为污水监测能够帮助人们理解病毒是如何‘无声’地传播的。污水当中的病毒含量可以反映出那些轻症或无症状感染者的情况。污水监测能够用来对大范围人群的感染水平提供指引,比如是否存在病毒,是否感染水平有所增加。

然而,要确定人体通过尿液或者粪便排出的病毒含量是一个复杂的计算过程,一方面,研究人员需要知道有多少病毒能从粪便中排泄出来,再根据废水样本中病毒的浓度推断出人群中的感染人数;另一方面,研究人员还需要确保他们研究的是人群排泄的代表性样本,而不仅仅是局部样本。对此,玛提姆教授表示,病毒排出的科学数据虽然较少,但可以确定的是在患者病程的不同阶段,病毒的载量会有所不同,而且数据也表明大约有一半的有症状确诊者的粪便里面能够检测出病毒。

此前公布的研究表明,新冠病毒可在患者感染后三天内出现在粪便中,这远远早于人们出现重症所需的时间。在一篇《柳叶刀》子刊The Lancet Gastroenterology & Hepatology 3月19日发布的论文表明,即便是在患者呼吸道样本新冠病毒检测转阴性后,其粪便样本呈病毒阳性的时间仍可长达近5周。这表明该病毒仍在患者的胃肠道中活跃复制,并且在呼吸道中病毒清除后,有发生病毒粪口传播的风险。尽管作者表示,目前对排泄物中新冠病毒的生存能力了解有限。

如果病毒卷土重来,污水监测可以作为早期预警信号。

 

2、通过污水检测快速发现感染者

克兰菲尔德大学和中国科学院贵阳地球化学研究所的研究人员正在开发一种新的新冠肺炎病毒的检测方法,这种方法可用来检测居住有病毒感染者的社区所排放的污水是否含有新冠肺炎病毒。这种基于污水的流行病学原理(WBE)的污水检测方法,可以通过从进入排水系统的疾病携带者的粪便和尿液识别生物标记物,有效且快速地预测潜在的新冠病毒传播的可能性。

为了便于追踪病毒的来源,这种基于试纸的测试设备可以直接在污水处理厂进行快速地检测,判断在污水处理厂的服务区域内是否存在潜在的新冠病毒感染者。克兰菲尔德水科学研究所传感器技术讲师Zhugen Yang博士认为,对于可能存在的无症状感染者,或者当人们并不确定自己是否受到感染时,通过纸质分析设备对社区的污水进行实时检测,可以判断该社区内是否存在新冠病毒感染者,以便社区快速进行筛查,隔离和预防。

基于WBE理论,如果可以在病毒传播的早期对社区中的病毒传播情况进行监测,就可以尽早采取有效的干预措施来限制当地居民的活动,从而最大程度地减少病毒的传播和对公共健康的威胁。Yang博士表示,已经开发了一种可以用于测试废水中基因物质的试纸检测设备,这为深入筛查病毒感染者提供了依据,该设备价格便宜(不到1英镑),在进一步的改进后,非专业人士也可以很便捷地使用。预计,一旦该设备可以在不久的将来被部署,它能够快速地为我们提供完整的人口健康状况。

如果病毒卷土重来,污水监测可以作为早期预警信号。

 

WBE理论已被公认为是追踪非法药物,以及获得健康,疾病和病原体信息的有效理论。Yang博士已开发了一种相似的试纸检测设备,并成功应用于印度的动物疾病诊断,以及乌干达农村人口的血液中的疟疾病毒的检测。由于试纸检测设备轻薄,它们可叠放、易于仓储和运输。使用后,也可以通过焚烧进行处置,降低了二次污染的风险。 关于该试纸检测设备的一篇综述报道最近发表在《EST》杂志上,文章标题为《Can a Paper-Based Device Trace COVID-19 Sources with Wastewater-Based Epidemiology?》(试纸检测设备能否利用基于污水的流行病学原理来追踪新冠病毒的来源?),作者是中国科学院贵阳地球化学研究所的Hua Zhang和Kang Mao。

3、污水检测为病毒卷土重来提供预警

根据此前在污水中培养的新冠病毒的分析数据,在4摄氏度水温时,病毒能够存活长达14天,但在水温为20摄氏度时,病毒只能存活2天;而且,病毒不易溶解在水里。洛桑瑞士联邦理工学院环境病毒学家塔玛尔·科恩教授表示:“追踪废水中的病毒颗粒将能为公共卫生部门决定是否采取禁闭等措施赢得时间。”目前全球大部分国家都通过采取社交距离、隔离封锁等措施控制病毒感染。而一旦这些措施被取消,病毒可能会卷土重来。这时污水监测就能够提供有效的预警。位于比尔托芬的荷兰国家公共卫生与环境研究所传染病研究员安娜表示:“常规废水监测可以作为一种非侵入性的预警工具,提醒社区注意新的病毒感染的暴发。”该研究所曾通过监测污水,发现过诺如病毒、耐抗生素细菌、脊髓灰质炎病毒和麻疹等传染性疾病的暴发。基于废水的流行病学(WBE)研究,目前已成为被世界各地广泛采用的一款颇有价值的工具。废水监测几十年来也一直被用来评估脊髓灰质炎疫苗接种的成功程度。专家认为这种方法也可以用来监测防止病毒传染的干预措施的有效性。

随着科学技术发展,还有一些团队的研究人员正计划安装远程传感器来监测废水中的病毒含量。英国克兰菲尔德大学水循环研究所的科学家称,他们正将开发的新型的传感器部署到污水处理系统,以收集粪便和尿液中的新冠病毒生物标记物。这种廉价的传感器在折叠和展开时,会过滤病原体的核酸,使之与预装的试剂发生反应,以提示是否有对应的感染状况存在。

随着疫情的爆发,环境领域研究人员也快速行动起来,目前全球约有十几家研究团队正在通过对污水中COVID-19病毒的检测,以期用来预测某个地区总的感染人数,尤其是在人体病毒核酸检测不能覆盖到大多数人的情况下。而且,污水中病毒的检测也可以作为疫情可能再次爆发的“吹哨人”。到目前为止,科研人员已经在荷兰、美国和瑞典的污水中检测到了病毒RNA。

污水厂通过污水管网承接了城市千家万户排放的污水;相比于人体病毒核酸检测,检测污水厂来水的病毒能够覆盖的人数更加广泛,包括不能及时进行人体检测或者未出现症状而不进行检测的感染者,因此能够更好的预测以感染的总人数,也就是说通过人体核酸检测的数据可能只是冰山一角!

当然,要想从污水中的病毒RNA数量推测感染总人数,需要先知道一个感染者的排泄物中有多少RNA,然后才能根据污水中的RNA量反推感染人数。另外,澳大利亚环境健康科学联盟重审,为保证污水中RNA数量能够很好的映射感染人数,污水取样点的选取要有代表性。而且,鉴于目前检测试剂比较短缺,污水中病毒检测的研究避免占用人体检测试剂资源。

控制疫情传播的物理干预措施,比如居家隔离、减少外出,能够很好的降低病毒的传播,但是一旦这种物理措施放松后或取消的过早,也存在病毒再次大面积传播的可能。荷兰传染病研究学家Ana说:污水中病毒检测的方式则可作为一种非干预预警工具,提醒人们病毒可能的再次出现和传播。

在用污水病毒检测预警传染病暴发方面,Ana所在的研究中心曾对诺如病毒、抗药菌、脊髓灰质炎和麻疹进行过相关研究,在荷兰报道第一例新冠感染者后的第四天,Ana的研究团队就在史基浦机场的污水中检测到了新冠肺炎病毒。接下来,她们将进一步扩大采样点,并包括了12个还未有新冠感染报告的地区。包括这些地方也很重要,因为Gertjan Medema教授曾在Amersfoort地区为报告新冠肺炎病例前就检测到了病毒的RNA。瑞士联邦理工学院的病毒学家Tamar提到:相关研究表明,病毒RNA在人体感染后的第三天就在其排泄物中检测到了病毒核酸,这远远快于新冠肺炎病毒的14天潜伏期。

因此,对收集的污水进行病毒检测,能够及时发现病毒的出现,并可提前7~10天让决策部门采取相应的防传播促使,比如减少流动或者封城,而这1周的时间对于防止疫情爆发是非常宝贵的。所以,如果能够及时的获悉病毒出现的信息,提前采取相应措施,可以大大降低疫情对人体健康和社会经济的不利影响!实际上,通过污水中的病毒检测来评价预防接种的效果早在几十年前就开始了,来自图森亚利桑那大学的Charles教授如是说,这个方法也可以用来评价采取的一些干预措施的有效性,比如隔离。而他的研究团队在图森市污水中也检测到了新冠病毒核酸。

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