下水道的秘密,监测新冠病毒的另一种办法丨TECH TUESDAY

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文丨贺乾明

编辑丨黄俊杰

新冠疫情让人们习惯了很多原本不那么常见的生物技术,比如把大概 10 厘米长的采样棒插入鼻孔或咽喉搅几圈做核酸检测,成为人们对抗新冠疫情的第一道防线。

又一种检测方法,正随疫情扩散而普及:通过下水道捕捉新冠病毒的踪迹。

2022 年 1 月以来,面对快速传播的奥密克戎毒株,西欧多国,以及美国、加拿大、日本、新加坡等地开始放松防疫政策,并逐渐停止了大面积核酸筛查。但放松并不等于不管不顾,下水道废水检测成了这些地区普遍采用的新冠疫情追踪手段。

据加州大学默塞德分校研究人员汇总的数据,现在有 66 个国家已经正式启用或研究通过下水道监测新冠病毒流行状况,跟一年前相比多了 12 个。

在新冠之前

监测废水的重要应用是缉毒

脊髓灰质炎(小儿麻痹症)可能成为下一种被疫苗灭绝的流行病毒——人类对病毒罕见的全面胜利。

这种病曾是大城市年轻父母的梦魇,病毒经过粪便排出体内,再经过污染水源或其他途径进入人体造成感染,严重者瘫痪甚至死亡。1916 年纽约一城发生的大流行就导致超过 2000 人死亡。

1950 年代研发出的疫苗压制了这种病毒。但脊髓灰质炎病毒依然会零星出现,它潜伏期很长,可以超过 1 个月,90%~95% 的感染者无症状——无症状时也可以传染。

检测的手段就是下水道检测,很手工的办法:掀开下水道井盖,舀出混着人类粪便的废水,把它灌到玻璃器皿中,送去巴氏消毒,然后沉淀、过滤、浓缩、提纯,再检测病毒。如果定期检测,还能估算出病毒流行的情况。

正是依靠废水系统,以色列曾在 2013 年较早发现病毒痕迹,为接种疫苗争取了时间,扛过一波脊髓灰质炎疫情,最后无人瘫痪。

脊髓灰质炎病毒变得罕见以后,各国常用废水监测多用来分析某个区域违禁药品或毒品使用情况。

2005 年,意大利的研究人员测量了波河中可卡因残留物,每天发现近 10 磅,他们据此估算,居住在波河河谷的居民每天吸食的可卡因量达到 4 万剂,是官方统计的月用量的近 3 倍。

因为能有效地分析毒品和违禁药物含量,废水检测进入更多国家。2010 年,欧洲的研究人员成立联盟,统一分析欧洲废水中的毒品情况,并将结果递交给欧洲毒品和犯罪问题办公室。

2018 年,《自然》杂志网站报道了北京大学教授李喜青与广东中山市建设的废水验毒系统。据《南方网》报道,参与开发这项系统的人说,把 5 克毒品混到西湖那么多的水中也能检出,还可以根据废水估算出有多少吸毒者、主要吸食哪类毒品。2020 年 9 月,中国公安部禁毒局要求,2021 年开始各个省份禁毒总队每季度检测一次废水。

新冠病毒持续流行

废水监测系统不断改进

感染新冠病毒的人,哪怕没出现症状,粪便里也会有新冠病毒。检测下水道中的废水,相当于对某个区域中所有人一起做了次核酸检测,原理跟鼻拭子相同,只不过样本是粪便,但精度同样有保证。

新冠疫情刚在全球爆发时,一些欧洲国家和美国的研究者就开始分析下水道中废水,追踪新冠病毒流行情况。中国大陆也有学者做了研究,比如中国科学院武汉病毒研究所就分析过武汉新冠肺炎定点医院附近的废水。

许多研究人员发现,当一个区域新冠感染者数量变多时,定量检测的废水中的新冠病毒含量也会变多。因为感染新冠病毒的人出现症状之前几天甚至一周就会排出病毒,废水检测还有可能提前发出预警。

2020 年 8 月 25 日,美国亚利桑那大学的后勤人员定期检测学生宿舍的废水时,核酸显示阳性。学校随即排查了废水排放范围内的 311 名学生和工作人员,发现 2 名无症状感染者,一场聚集性疫情提前被消灭。

图:在确诊人数上升前,美国明尼阿波利斯市已经在废水里检测出新冠病毒浓度变化

不过,原本针对毒品、小儿麻痹症病毒建立的废水监测体系,并不足以帮助人们更好的防控新冠病毒。此前的应用并不需要高频率检测,往往只是每个季度、每个月检测,而欧美国家从下水道中采样还是手动,跟不上奥密克戎的速度。

废水检测新冠病毒精确度还容易受到环境影响。比如采样区域下雨,下水道中新冠病毒浓度就会下降,结果有变化。

随着新冠流行,废水监测越来越被重视,这些问题逐步得到解决。现在有创业公司加入进来,尝试用物联网设备在下水道中自动采集废水,再送到实验室处理分析,减少手工干预。

研究人员也找到了一些方法,让废水分析更准确。据《科学》杂志报道,有研究人员尝试用废水中常见的病毒校准新冠病毒的检测结果。一个候选是辣椒轻斑驳病毒(PMMoV),它分布广泛、在人体粪便中的浓度全年保持稳定。如果废水被雨水稀释,研究人员可以根据 PMMoV 浓度变化,判断新冠病毒到底有多流行。

技术上难以解决的问题是废水检测无法精确知道病毒来自哪个人。如果要以这个数据积极防疫,就要在监测到有爆发迹象后,针对性的隔离和挨个检测。

新冠病毒可能长久存于肠道,这也给废水监测带来了麻烦。

斯坦福大学团队 4 月发表了一篇论文,他们跟踪研究 113 例患有轻中症的新冠感染者。这些人在感染 10 个月后,已经康复,鼻拭子核酸检测转阴性,但仍有 4% 的人粪便里被检测出新冠病毒。

香港大学教授、病毒学家金冬雁告诉《晚点 LatePost》,如果对他们的粪便进行核酸检测,结果有可能是阳性,哪怕这些感染者已经康复,体内的新冠病毒没有传染性。

在他看来,废水检测新冠病毒最有效的时候,是一个区域从无到有出现病毒或病毒早期传播时。在新冠病毒广泛流行的时候,监测废水的数据可能会在预判病毒发展局面上有帮助,但有效性会打折扣。

可能成为公共卫生领域不可或缺的一部分

随着一些国家和地区放松新冠相关管控,废水检测成为了一种定期追踪新冠的手段。今年 2 月,美国多个州取消室内口罩令,美国疾病控制与预防中心(CDC)开始在官网定期更新废水检测数据,认为它可以在新冠病毒社区层面传播提供预警。

正如新冠疫情让 mRNA 技术成为制作疫苗的新方式,新冠病毒大流行也展现出了废水监测的潜在力量。

许多研究人员相信,完备的废水监测系统有助于人们预防下一场大流行病。意大利的研究人员 2021 年回溯发现,2019 年 12 月,新冠肺炎患者在武汉确诊时,米兰的下水道中就已经有了同款病毒。

废水中还隐藏着新冠病毒变异的情况。比如南非在 2021 年 11 月 25 日报告新冠病毒奥密克戎(后来命名)毒株前几天,纽约的下水道中就已经检测到了。当时没有人意识到,这个毒株会在几个月后掀起前所未有的一波感染潮。

从 2020 年疫情爆发之初即被采用的核酸检测,到今天作为补充的抗原检测、废水检测日渐普及,人们追踪新冠流行的手段正在升级。

欧盟一位环境专员说,废水监测为追踪新冠病毒流行提供了一个成本更划算、快速和可靠的信息来源。去年 3 月,欧盟要求成员国检测废水,跟踪新冠病毒及其变体,今年已经定期检测 1370 家废水处理厂。他们还打算提出立法方案,建立永久运行的废水监测流行病系统。

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