废水监测将如何帮助阻止未来的大流行

监测废水中的流行病 7 10 
对废水进行采样可能会耗费大量时间。 John Eisele/科罗拉多州立大学

微生物学家 苏珊·德龙 and 卡罗尔·维鲁兹 2020 年 2 月,一群污水处理厂运营商的基层组织要求他们开发和部署一项测试,以检测科罗拉多州下水道样本中的 SARS-CoV-XNUMX。 德龙是一位研究有用细菌的环境工程师。 Wilusz 的专长是 RNA 生物学。 在这里,他们描述了废水监测的工作原理以及它在大流行后的未来可以做些什么。

如何监测废水中的 SARS-CoV-2?

废水监测利用了许多人类病原体和人类药物代谢产物最终存在于尿液、粪便或两者中的事实。 导致 COVID-2 的 SARS-CoV-19 病毒出人意料地出现了 大量感染者的粪便,尽管这不是疾病传播的主要途径。

为了弄清楚是否存在任何病原体,我们首先需要直接从下水道或工程师所谓的“进水”进入处理厂的地方收集有代表性的废水样本。 我们也可以使用从废水中沉淀出来的固体。

然后,技术人员需要去除粪便中的大颗粒并浓缩所有微生物或病毒。 下一步是提取它们的核酸——保存病原体遗传信息的 DNA 或 RNA。

DNA 或 RNA 中包含的序列充当了存在的病原体的独特条形码。 例如,如果我们检测到 SARS-CoV-2 特有的基因,我们就知道冠状病毒就在我们的样本中。 我们使用基于 PCR 的方法,类似于那些 用于临床诊断测试,以检测和量化 SARS-CoV-2 序列。

更详细地表征核酸序列可以提供有关病毒株的信息——例如, 它可以识别变体 像 omicron BA.2。

目前,绝大多数废水监测工作都集中在 SARS-CoV-2 上,但同样的技术也适用于其他病原体,包括 脊髓灰质炎病毒, 影响 and 诺如病毒.

在大流行之前,一份申请是 监测罕见的脊髓灰质炎病毒爆发 在正在进行脊髓灰质炎疫苗接种的地区。 还可以监测废水中各种药物的迹象,以深入了解 人群中药物使用的水平和类型.

数据去哪儿了?

在大流行期间,美国疾病控制和预防中心制定了 国家废水监测系统 专门用于在全国范围内追踪 SARS-CoV-2。 超过 800 个网站报告数据 到这个 NWSS 系统,但目前并不是所有的州和县都有代表。


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监测废水中的流行病2 7 10 覆盖各种规模人口的 800 多个地点向 CDC 报告了 COVID-19 废水数量。 CDC COVID数据跟踪器, CC BY

许多国家机构,如 科罗拉多州公共卫生与环境部, 和城市, 比如 坦佩,亚利桑那州,拥有自己的仪表板来报告数据。 部分企业进行废水分析报告数据 在他们自己的仪表板上了。

我们认为,NWSS 代表了通过废水监测人口健康的令人兴奋的第一步。 其他国家也正在建立类似的系统, 包括澳大利亚 and 新西兰.

废水数据真正显示了什么?

大量人群废水中的 SARS-CoV-2 水平是社区感染水平的一个很好的指标。 该系统自动监控生活在下水道中的每个人,因此它是匿名的、公正的和公平的。 重要的是,如果不采集额外样本,也不可能将感染追溯到特定的人、家庭或社区。

废水监测不依赖于临床测试的可用性或人们报告他们的测试结果。 它还收集无症状和症状前的 COVID-19 病例; 这很关键,因为那些 感染但不感到不适仍然可以传播 COVID-19.

我们认为,随着越来越多的 COVID-19 测试在家中进行,废水测试变得越来越重要。 而且因为疫苗接种也导致 更多轻度和无症状的 COVID-19 病例,人们可能在根本没有接受检测的情况下被感染。 这些因素意味着临床病例数据的信息量不如大流行早期,而废水数据仍然是社区感染水平的一致指标。 废水监测不依赖于人们报告家庭检测呈阳性,甚至不依赖于他们的感染情况。 斯宾塞普拉特/盖蒂图片社新闻

到目前为止,您无法根据社区废水中的病毒水平准确预测社区中的感染人数。 某人感染的阶段,他们的身体对病毒的反应,病毒变异,一个人离废水样本的采集地有多远,甚至天气都可以 影响污水中测量的 SARS-CoV-2 量.

但科学家可以推断出感染率的相对变化。 观察污水中的病毒水平上下波动,可以一窥整个社区的病例是上升还是下降。

由于 SARS-CoV-2 可以在暴发前几天甚至几周在废水中检测到,因此废水监测可以提供早期警告,表明可能需要采取公共卫生措施。 信号的趋势很重要—— 如果你知道水平在上升,现在可能是重新制定口罩授权或建议在家工作的好时机。 目前,公共卫生官员使用废水监测数据 连同其他信息 比如检测阳性率和社区中的临床病例和住院人数,以做出这些决定。

测序数据还可以帮助检测新变体并监测其水平,从而使健康反应能够考虑存在的变体特征。

在较小的人群中,例如大学宿舍和疗养院,废水监测可以检测到少数感染者。 这可以敲响警钟,针对性的临床测试是为了识别感染者进行隔离。 早期发现、有针对性的检测和隔离是 有效预防疫情. 管理员可以在废水中检测到 SARS-CoV-2 时保留破坏性临床测试,而不是使用临床测试进行常规监测。

未来的监控会是什么样子?

废水监测的广泛和常规使用将使公共卫生官员能够获得有关美国社区一系列潜在感染水平的信息。 这些数据可以指导决定在哪里向社区提供额外资源,例如在感染上升的地方开设检测或疫苗接种诊所。 它还可以帮助确定何时需要戴口罩或关闭学校等干预措施。

在最好的情况下,废水监测可能会在新病毒首次到达新区域时捕获它; 在非常局部的地区提前关闭可能会阻止未来的大流行。 有趣的是,研究人员在 之前收集的归档废水样本 任何人都被诊断出患有 COVID-19。 如果废水监测早在 2019 年底就已成为已建立的公共卫生基础设施的一部分,那么它可能会提供更早的警告,即 SARS-CoV-2 正在成为全球威胁。

然而,就目前而言,建立和运行国家废水监测系统,特别是包括在关键地点进行建筑级监测的系统,仍然过于昂贵和劳动密集型。

正在进行的研究和开发工作正试图简化和自动化废水采样。 在分析方面,采用 PCR 和测序技术检测其他病原体,包括新病原体,对于充分利用这样的系统至关重要。 最终,废水监测可以帮助支持未来流行病的致命性要低得多,社会和经济影响也更小。

作者简介

苏珊·德龙, 土木与环境工程副教授, 科罗拉多州立大学 and 卡罗尔·维鲁兹, 微生物学、免疫学和病理学教授, 科罗拉多州立大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.


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