2020年，美國生物醫學高階研究與發展管理局（BARDA）和其他公共衛生機構的專家觀看了一場當時許多人認為不切實際的演示。幾家公司提議定期從下水道和汙水處理廠取樣廢水，並進行檢測以發現SARS-CoV-2——導致COVID-19的病毒。人們會在排洩物中排出病毒，這些公司建議，隨著時間的推移，追蹤汙水中病毒遺傳物質或RNA的水平，可以快速瞭解該地區病毒是否正在上升，甚至比COVID患者激增提前數天或數週。
“我不得不說[我們]根本沒有認真對待，”裡克·布萊特說，他當時是BARDA的主任，現在是洛克菲勒基金會大流行病預防和應對高階副總裁。雖然廢水追蹤過去曾被用於追蹤脊髓灰質炎和胃腸道疾病，但在持續的大流行期間，它似乎並非優先事項，他說。
然後，去年11月，來自幾所大學和美國疾病控制與預防中心的研究人員在加利福尼亞北部、休斯頓、紐約市和其他地點的廢水中檢測到了奧密克戎變異株，最早比美國首次在人體中檢測到該變異株提前了11天。這種提前預警本可以為公共衛生官員提供寶貴的提前期，以實施更嚴格的預防措施——例如口罩強制令——並將檢測和其他資源導向社群。這些資訊還可以讓當局在病例開始下降時解除限制。“突然之間，燈亮了，”布萊特說。“我們可以制定循證政策，而不是膝跳反應。”
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2月4日，美國疾控中心宣佈將在其COVID資料追蹤器中新增一個廢水元件。來自不同州的汙水資料首次可以直接比較。全國已有400多個站點加入了美國疾控中心的專案，並且每週都有更多站點加入。
美國疾控中心國家廢水監測系統專案負責人艾米·柯比說，其目標是提供一種比監測感染病例更全面的、無偏見的新冠病毒追蹤方法。分析廢水可以檢測到無症狀病例和那些感染但從未檢測呈陽性的人，以及使用家庭檢測盒檢測到的病例，這些檢測結果未報告給美國疾控中心。
對廢水樣本進行聚合酶鏈式反應（PCR）檢測——檢測SARS-CoV-2最準確的方法——在技術上並不困難，但柯比說，直到最近，建立基礎設施似乎從來不值得所需的努力和金錢。“新冠疫情真的改變了計算，使其成為一項良好的投資，”她說。柯比說，美國疾控中心還在花費2.33億美元來加強州和市級監測工作，以追蹤SARS-CoV-2以及抗微生物藥物耐藥性細菌、流感、耳念珠菌和食源性感染，如諾如病毒和沙門氏菌。
加州大學默塞德分校的科琳·諾頓等從事廢水病原體研究的環境工程師很高興看到這項技術興起。“它肯定在全球範圍內爆發了，”諾頓說。2020年9月，她的團隊啟動了一個名為COVIDPoops19的資料庫，以繪製全球SARS-CoV-2廢水監測點的地圖。從那時起，此類資料庫的數量增加了兩倍多。州或聯邦政府運行了許多追蹤工作，並在其自己的線上儀表板上釋出資料。
目前，這些工作大多在尋找SARS-CoV-2的任何痕跡，使用PCR擴增病毒片段並確定某個區域病毒總量相對於前幾周或幾天的含量。但一些團隊正在研究更先進的技術，對病毒的長片段進行基因測序。這種方法使研究人員不僅可以確定出現了哪些新的突變，還可以確定它們是都發生在同一種病毒中，還是跨越了不同的毒株。
紐約市威爾康奈爾醫學院的遺傳學家克里斯托弗·梅森說：“我喜歡它的一點是，它可以讓我們開始看到病毒雨林的底層故事。”他說，與其等到德爾塔和奧密克戎等主要變異株開始影響人類時才檢測到它們，不如監測廢水中的所有變異株，這可以讓科學家們在新變異株對人類構成更大威脅之前，就看到SARS-CoV-2是如何進化的。
在上個月發表在《自然·通訊》雜誌上的一項研究中，紐約城市大學皇后學院和研究生中心的約翰·丹尼希和密蘇里大學的馬克·約翰遜的研究人員使用深入的測序方法檢測了紐約市廢水中SARS-CoV-2的新形式或譜系。這些譜系尚未在人體中檢測到，但包含使其能夠感染齧齒動物的突變，這表明它們可能是透過紐約無處不在的下水道老鼠進入水系統的。這一發現加強了人們對動物可能成為新冠病毒宿主的擔憂，追蹤它們的感染可能對遏制疫情的計劃至關重要。但約翰遜和丹尼希表示，可能還有其他解釋：這些譜系可能是在長期感染新冠病毒的免疫功能低下個體中進化出來的，這給了病毒足夠的時間進化。
約翰遜說，儘管廢水追蹤可以提供寶貴的提前期，但它不能取代患者監測工作。他的團隊在美國首例患者出現前一週多就在紐約市的廢水中檢測到了奧密克戎，但“如果我們不知道它是奧密克戎，它看起來就不會不尋常，”他說。換句話說，廢水測序可以提供大量資料，如果研究人員沒有更多關於其臨床意義的資訊，有意義的變異株可能會丟失。
廢水監測還有其他明顯的缺點。雖然目前新冠病例非常普遍，以至於病毒很容易在廢水中檢測到，但不太常見的感染，如引起肝炎或食源性疾病的感染，可能更難檢測到。而且，由於不同的公共衛生中心使用不同的取樣技術並以不同的方式記錄資料，因此很難對它們進行比較。美國疾控中心和洛克菲勒基金會的科學家都希望開發出標準化不同社群廢水資料的方法，以便他們可以更輕鬆地將它們相互比較，並與每個社群的患者病例進行比較。
隱私也是一個令人擔憂的問題：雖然從城市下水道或汙水處理廠取樣本質上是匿名的，但監測大學宿舍等較小出水口的廢水可能看起來具有侵入性。洛克菲勒基金會的研究員梅根·戴蒙德正在與布萊特合作開發新冠廢水資料資料庫，她說，與社群合作建立信任，並教育人們廢水追蹤可以做什麼和不能做什麼至關重要。
測序技術也很昂貴。根據世界銀行分析的COVIDPoops19資料，超過85%的追蹤點位於高收入國家。即使在美國國內，追蹤工作也無法做到全面，因為研究人員只能輕鬆訪問公共汙水系統，而大約20%的美國家庭使用化糞池，這部分資料被遺漏了。諾頓、洛克菲勒基金會團隊和其他人正在尋求將這項技術和監測資料庫擴充套件到發展中國家，在這些國家，診所較少，患者監測較少，無偏見的抽樣方法更具價值。“我們需要讓監測不僅僅成為第一世界的奢侈品的方法，”布萊特說。