瑪麗安娜·馬圖斯多年來一直研究人體排洩物，以便更好地瞭解我們體內的狀況。這位計算生物學家幫助開發了重型裝置，這些裝置大約有牛奶箱大小，可以放入沙井中，懸掛在廢水之上——透過類似吸管的管子穩定地吸取尿液和糞便。
馬圖斯和她的同事最初的目標是搜尋下水道中藥物使用的化學特徵。但在二月份，有報道稱有可能在人類糞便中檢測到新型冠狀病毒的基因特徵。因此，馬圖斯和她共同創立的公司 Biobot Analytics 將注意力轉向追蹤 COVID-19 大流行。他們現在正在從 400 個汙水處理廠採集汙水樣本，馬圖斯說，這覆蓋了美國人口的估計 10%。
這是世界各地正在部署的數十項類似努力之一，旨在透過更全面地描繪病毒的傳播地點和傳播範圍，幫助各國更好地集中其控制措施。“目前最大的未知數是，因為美國仍在進行非常有限的檢測：沒有人知道有多少人被感染且無症狀。完全不知道，”亞利桑那大學的環境微生物學家伊恩·佩珀說，他研究市政汙水中的病原體。對整個人口進行現有的診斷測試是不切實際的，而且這些測試的分配也不公平。然而，每個人都使用衛生間。因此，廢水取樣可以一次性檢測數百萬人體內是否存在新型冠狀病毒，而無需考慮其社會經濟地位或獲得醫療保健的機會。“我們的資料在其最原始的形式下自然是聚合和匿名的，”馬圖斯說。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
儘管如此，這種方法在當前的大流行中應用方式仍存在侷限性。該技術無法明確告訴流行病學家整個人口是否已清除病毒。但這可能是一種更快的方法，可以在各地區解除封鎖後檢測未來爆發。這種方法也可能促進小型但不斷發展的基於廢水的流行病學領域——並將其擴充套件到檢測其他疾病。
早期預警
像其他病毒一樣，引起 COVID-19 的病原體無法自行復制。相反，它會侵入活細胞——包括排列在人類腸道中的細胞——並利用它們積極複製其 RNA。然後，受感染的患者會在體液中排出病毒 RNA 顆粒，包括唾液、粘液和糞便。這些最終會進入下水道的廢水中，在那裡可以發現它們達到足以檢測到的水平。
從廢水中取樣 RNA 顆粒可以幫助研究人員做幾件事：首先，他們可以對冠狀病毒的基因進行測序，以瞭解各種毒株如何隨時間變異和變化。這種分析還允許研究人員追蹤病原體的傳播，涵蓋所有迴圈中的毒株，並窺探它們的“病毒祖先”。在一項最近尚未經過同行評審的預印本研究中，微生物學家確定，從蒙大拿州一個城市的汙水中提取出的主要毒株可能源自歐洲傳播的病毒譜系。
使用與處理拭子樣本（通常從個人鼻腔採集）相同的診斷方法測試廢水，還可以回答冠狀病毒是否在特定社群中存在這個簡單的問題。“觀察是/否——它是否存在——的潛力已經存在，並且可以很快地廣泛應用，”澳大利亞昆士蘭環境健康科學聯盟的教授凱文·托馬斯說。他在四月份的《總體環境科學》雜誌上發表了一項證明該技術的研究。西班牙的一個小組在《水研究》雜誌上發表文章，檢測到陽性廢水樣本，該地區在任何 COVID-19 病例被診斷出來之前兩週多——即使在患病率低的地方也是如此。這種早期預警可以為決策者提供何時解除或恢復嚴格的居家令措施的指導。“如果當我們開始開放城市時，它在某些地點開始再次飆升，那麼這種反饋將非常重要，”馬圖斯說。
這項工作已取得進展，以至於一些國家現在正在認真討論擴大現有監測範圍。在美國，正在討論建立新的國家監測計劃。美國疾病控制與預防中心飲用水傳播疾病預防部門的研究員文森特·希爾表示，該機構目前正在與研究人員合作，檢查使用這些方法進行檢測的可靠性並使其標準化。他說，廢水檢測永遠不會取代常規的個體檢測。然而，它是關於整個人口的有價值且快速獲得的資料來源。哥倫比亞大學的病毒學家安吉拉·拉斯穆森對此表示贊同。“我認為廢水檢測是一種潛在的監測工具，在管理有限的資源（如 PPE [個人防護裝置] 和檢測用品）方面可能特別有幫助，”她說。“但這絕不是診斷性檢測和流行病學工作的替代品。”
假陰性和未知數
廢水檢測的有用性存在侷限性。一個問題是市政廢物的集中性質意味著研究人員無法挑出特定的高風險微社群，例如療養院、醫院、監獄或肉類加工廠。另一個問題是，關於 SARS-CoV-2（引起 COVID-19 的病毒的正式名稱）的 RNA 何時在糞便中變得可檢測到，相對於症狀發作的時間，存在不確定性。科學家們尚未完全闡明人們在康復後繼續排出病毒顆粒的時間有多長。托馬斯說，目前還不清楚樣本中必須存在多少病毒 RNA 複製才能被檢測到。根據四月份在《總體環境科學》雜誌上發表的模型，給定的陽性廢水樣本可能揭示低至 114 人或高達 200 萬人中的一次感染。但是，在不知道產生陽性結果所需的最小複製數的情況下，存在測試可能產生假陰性的可能性，錯誤地表明特定區域沒有 COVID-19。因此，測試廢水可以表明病毒存在，但不能明確證實病毒不存在。為了解決這個問題，許多研究人員正在追蹤特定位置可檢測到的 RNA 顆粒的相對數量如何隨時間變化。
威爾士班戈大學的土壤和環境科學研究員大衛·瓊斯說，追蹤顆粒濃度是人口層面監測的最重要步驟。原因是這樣做有助於繪製大流行的程序並監測封鎖的有效性。包括馬圖斯和她的同事在內的幾個小組正在更進一步：他們正在嘗試估計廢水中病毒顆粒的濃度如何對應於特定人群中疾病的總患病率。這些計算試圖解釋許多變數，例如降雨和暴雨徑流的稀釋效應。在一篇仍在同行評審的預印本論文中，馬圖斯的研究小組估計，在馬薩諸塞州的一個地區，可能感染 COVID-19 的人口百分比至少是官方檢測呈陽性人數的五倍——表明社群中存在更多未確診病例。康涅狄格州一個小組最近的一篇預印本發現，在一個大都市區，RNA 顆粒的濃度峰值出現在新的確診 COVID-19 病例出現前大約一週。但耶魯大學的環境工程師喬丹·佩西亞指出，僅從汙水中準確確定病例總數仍然很困難，正是“因為[常規]檢測僅限於那些有症狀並去接受檢測的人”。
在長期的觀察者看來，對該技術的重新興趣反映了基於廢水的流行病學的更廣泛成熟。退休的美國環境保護署研究員克里斯蒂安·道頓與他人合寫了一篇有影響力的1999 年評論文章，他最近表示，大流行已經侵蝕了一些傳統的擔憂，例如那些關於隱私權的擔憂。應對 COVID-19 的緊迫性可能有助於建立此類監測系統，這不僅有助於應對本次大流行，還有助於追蹤其他疾病——甚至可能是在未來出現的新疾病。“我懷疑，在經歷了這次大流行之後，汙水監測將更加流行，”佩珀說。
閱讀更多關於冠狀病毒爆發的資訊 來自 大眾科學 此處。並閱讀來自我們 國際雜誌網路的報道，請點選此處。