玛丽安娜·马图斯多年来一直研究人体排泄物，以便更好地了解我们体内的状况。这位计算生物学家帮助开发了重型设备，这些设备大约有牛奶箱大小，可以放入沙井中，悬挂在废水之上——通过类似吸管的管子稳定地吸取尿液和粪便。
马图斯和她的同事最初的目标是搜寻下水道中药物使用的化学特征。但在二月份，有报道称有可能在人类粪便中检测到新型冠状病毒的基因特征。因此，马图斯和她共同创立的公司 Biobot Analytics 将注意力转向追踪 COVID-19 大流行。他们现在正在从 400 个污水处理厂采集污水样本，马图斯说，这覆盖了美国人口的估计 10%。
这是世界各地正在部署的数十项类似努力之一，旨在通过更全面地描绘病毒的传播地点和传播范围，帮助各国更好地集中其控制措施。“目前最大的未知数是，因为美国仍在进行非常有限的检测：没有人知道有多少人被感染且无症状。完全不知道，”亚利桑那大学的环境微生物学家伊恩·佩珀说，他研究市政污水中的病原体。对整个人口进行现有的诊断测试是不切实际的，而且这些测试的分配也不公平。然而，每个人都使用卫生间。因此，废水采样可以一次性检测数百万人体内是否存在新型冠状病毒，而无需考虑其社会经济地位或获得医疗保健的机会。“我们的数据在其最原始的形式下自然是聚合和匿名的，”马图斯说。
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尽管如此，这种方法在当前的大流行中应用方式仍存在局限性。该技术无法明确告诉流行病学家整个人口是否已清除病毒。但这可能是一种更快的方法，可以在各地区解除封锁后检测未来爆发。这种方法也可能促进小型但不断发展的基于废水的流行病学领域——并将其扩展到检测其他疾病。
早期预警
像其他病毒一样，引起 COVID-19 的病原体无法自行复制。相反，它会侵入活细胞——包括排列在人类肠道中的细胞——并利用它们积极复制其 RNA。然后，受感染的患者会在体液中排出病毒 RNA 颗粒，包括唾液、粘液和粪便。这些最终会进入下水道的废水中，在那里可以发现它们达到足以检测到的水平。
从废水中采样 RNA 颗粒可以帮助研究人员做几件事：首先，他们可以对冠状病毒的基因进行测序，以了解各种毒株如何随时间变异和变化。这种分析还允许研究人员追踪病原体的传播，涵盖所有循环中的毒株，并窥探它们的“病毒祖先”。在一项最近尚未经过同行评审的预印本研究中，微生物学家确定，从蒙大拿州一个城市的污水中提取出的主要毒株可能源自欧洲传播的病毒谱系。
使用与处理拭子样本（通常从个人鼻腔采集）相同的诊断方法测试废水，还可以回答冠状病毒是否在特定社区中存在这个简单的问题。“观察是/否——它是否存在——的潜力已经存在，并且可以很快地广泛应用，”澳大利亚昆士兰环境健康科学联盟的教授凯文·托马斯说。他在四月份的《总体环境科学》杂志上发表了一项证明该技术的研究。西班牙的一个小组在《水研究》杂志上发表文章，检测到阳性废水样本，该地区在任何 COVID-19 病例被诊断出来之前两周多——即使在患病率低的地方也是如此。这种早期预警可以为决策者提供何时解除或恢复严格的居家令措施的指导。“如果当我们开始开放城市时，它在某些地点开始再次飙升，那么这种反馈将非常重要，”马图斯说。
这项工作已取得进展，以至于一些国家现在正在认真讨论扩大现有监测范围。在美国，正在讨论建立新的国家监测计划。美国疾病控制与预防中心饮用水传播疾病预防部门的研究员文森特·希尔表示，该机构目前正在与研究人员合作，检查使用这些方法进行检测的可靠性并使其标准化。他说，废水检测永远不会取代常规的个体检测。然而，它是关于整个人口的有价值且快速获得的数据来源。哥伦比亚大学的病毒学家安吉拉·拉斯穆森对此表示赞同。“我认为废水检测是一种潜在的监测工具，在管理有限的资源（如 PPE [个人防护设备] 和检测用品）方面可能特别有帮助，”她说。“但这绝不是诊断性检测和流行病学工作的替代品。”
假阴性和未知数
废水检测的有用性存在局限性。一个问题是市政废物的集中性质意味着研究人员无法挑出特定的高风险微社区，例如疗养院、医院、监狱或肉类加工厂。另一个问题是，关于 SARS-CoV-2（引起 COVID-19 的病毒的正式名称）的 RNA 何时在粪便中变得可检测到，相对于症状发作的时间，存在不确定性。科学家们尚未完全阐明人们在康复后继续排出病毒颗粒的时间有多长。托马斯说，目前还不清楚样本中必须存在多少病毒 RNA 拷贝才能被检测到。根据四月份在《总体环境科学》杂志上发表的模型，给定的阳性废水样本可能揭示低至 114 人或高达 200 万人中的一次感染。但是，在不知道产生阳性结果所需的最小拷贝数的情况下，存在测试可能产生假阴性的可能性，错误地表明特定区域没有 COVID-19。因此，测试废水可以表明病毒存在，但不能明确证实病毒不存在。为了解决这个问题，许多研究人员正在追踪特定位置可检测到的 RNA 颗粒的相对数量如何随时间变化。
威尔士班戈大学的土壤和环境科学研究员大卫·琼斯说，追踪颗粒浓度是人口层面监测的最重要步骤。原因是这样做有助于绘制大流行的进程并监测封锁的有效性。包括马图斯和她的同事在内的几个小组正在更进一步：他们正在尝试估计废水中病毒颗粒的浓度如何对应于特定人群中疾病的总患病率。这些计算试图解释许多变量，例如降雨和暴雨径流的稀释效应。在一篇仍在同行评审的预印本论文中，马图斯的研究小组估计，在马萨诸塞州的一个地区，可能感染 COVID-19 的人口百分比至少是官方检测呈阳性人数的五倍——表明社区中存在更多未确诊病例。康涅狄格州一个小组最近的一篇预印本发现，在一个大都市区，RNA 颗粒的浓度峰值出现在新的确诊 COVID-19 病例出现前大约一周。但耶鲁大学的环境工程师乔丹·佩西亚指出，仅从污水中准确确定病例总数仍然很困难，正是“因为[常规]检测仅限于那些有症状并去接受检测的人”。
在长期的观察者看来，对该技术的重新兴趣反映了基于废水的流行病学的更广泛成熟。退休的美国环境保护署研究员克里斯蒂安·道顿与他人合写了一篇有影响力的1999 年评论文章，他最近表示，大流行已经侵蚀了一些传统的担忧，例如那些关于隐私权的担忧。应对 COVID-19 的紧迫性可能有助于建立此类监测系统，这不仅有助于应对本次大流行，还有助于追踪其他疾病——甚至可能是在未来出现的新疾病。“我怀疑，在经历了这次大流行之后，污水监测将更加流行，”佩珀说。
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