2020年，美国生物医学高级研究与发展管理局（BARDA）和其他公共卫生机构的专家观看了一场当时许多人认为不切实际的演示。几家公司提议定期从下水道和污水处理厂取样废水，并进行检测以发现SARS-CoV-2——导致COVID-19的病毒。人们会在排泄物中排出病毒，这些公司建议，随着时间的推移，追踪污水中病毒遗传物质或RNA的水平，可以快速了解该地区病毒是否正在上升，甚至比COVID患者激增提前数天或数周。
“我不得不说[我们]根本没有认真对待，”里克·布莱特说，他当时是BARDA的主任，现在是洛克菲勒基金会大流行病预防和应对高级副总裁。虽然废水追踪过去曾被用于追踪脊髓灰质炎和胃肠道疾病，但在持续的大流行期间，它似乎并非优先事项，他说。
然后，去年11月，来自几所大学和美国疾病控制与预防中心的研究人员在加利福尼亚北部、休斯顿、纽约市和其他地点的废水中检测到了奥密克戎变异株，最早比美国首次在人体中检测到该变异株提前了11天。这种提前预警本可以为公共卫生官员提供宝贵的提前期，以实施更严格的预防措施——例如口罩强制令——并将检测和其他资源导向社区。这些信息还可以让当局在病例开始下降时解除限制。“突然之间，灯亮了，”布莱特说。“我们可以制定循证政策，而不是膝跳反应。”
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2月4日，美国疾控中心宣布将在其COVID数据追踪器中添加一个废水组件。来自不同州的污水数据首次可以直接比较。全国已有400多个站点加入了美国疾控中心的项目，并且每周都有更多站点加入。
美国疾控中心国家废水监测系统项目负责人艾米·柯比说，其目标是提供一种比监测感染病例更全面的、无偏见的新冠病毒追踪方法。分析废水可以检测到无症状病例和那些感染但从未检测呈阳性的人，以及使用家庭检测盒检测到的病例，这些检测结果未报告给美国疾控中心。
对废水样本进行聚合酶链式反应（PCR）检测——检测SARS-CoV-2最准确的方法——在技术上并不困难，但柯比说，直到最近，建立基础设施似乎从来不值得所需的努力和金钱。“新冠疫情真的改变了计算，使其成为一项良好的投资，”她说。柯比说，美国疾控中心还在花费2.33亿美元来加强州和市级监测工作，以追踪SARS-CoV-2以及抗微生物药物耐药性细菌、流感、耳念珠菌和食源性感染，如诺如病毒和沙门氏菌。
加州大学默塞德分校的科琳·诺顿等从事废水病原体研究的环境工程师很高兴看到这项技术兴起。“它肯定在全球范围内爆发了，”诺顿说。2020年9月，她的团队启动了一个名为COVIDPoops19的数据库，以绘制全球SARS-CoV-2废水监测点的地图。从那时起，此类数据库的数量增加了两倍多。州或联邦政府运行了许多追踪工作，并在其自己的在线仪表板上发布数据。
目前，这些工作大多在寻找SARS-CoV-2的任何痕迹，使用PCR扩增病毒片段并确定某个区域病毒总量相对于前几周或几天的含量。但一些团队正在研究更先进的技术，对病毒的长片段进行基因测序。这种方法使研究人员不仅可以确定出现了哪些新的突变，还可以确定它们是都发生在同一种病毒中，还是跨越了不同的毒株。
纽约市威尔康奈尔医学院的遗传学家克里斯托弗·梅森说：“我喜欢它的一点是，它可以让我们开始看到病毒雨林的底层故事。”他说，与其等到德尔塔和奥密克戎等主要变异株开始影响人类时才检测到它们，不如监测废水中的所有变异株，这可以让科学家们在新变异株对人类构成更大威胁之前，就看到SARS-CoV-2是如何进化的。
在上个月发表在《自然·通讯》杂志上的一项研究中，纽约城市大学皇后学院和研究生中心的约翰·丹尼希和密苏里大学的马克·约翰逊的研究人员使用深入的测序方法检测了纽约市废水中SARS-CoV-2的新形式或谱系。这些谱系尚未在人体中检测到，但包含使其能够感染啮齿动物的突变，这表明它们可能是通过纽约无处不在的下水道老鼠进入水系统的。这一发现加强了人们对动物可能成为新冠病毒宿主的担忧，追踪它们的感染可能对遏制疫情的计划至关重要。但约翰逊和丹尼希表示，可能还有其他解释：这些谱系可能是在长期感染新冠病毒的免疫功能低下个体中进化出来的，这给了病毒足够的时间进化。
约翰逊说，尽管废水追踪可以提供宝贵的提前期，但它不能取代患者监测工作。他的团队在美国首例患者出现前一周多就在纽约市的废水中检测到了奥密克戎，但“如果我们不知道它是奥密克戎，它看起来就不会不寻常，”他说。换句话说，废水测序可以提供大量数据，如果研究人员没有更多关于其临床意义的信息，有意义的变异株可能会丢失。
废水监测还有其他明显的缺点。虽然目前新冠病例非常普遍，以至于病毒很容易在废水中检测到，但不太常见的感染，如引起肝炎或食源性疾病的感染，可能更难检测到。而且，由于不同的公共卫生中心使用不同的采样技术并以不同的方式记录数据，因此很难对它们进行比较。美国疾控中心和洛克菲勒基金会的科学家都希望开发出标准化不同社区废水数据的方法，以便他们可以更轻松地将它们相互比较，并与每个社区的患者病例进行比较。
隐私也是一个令人担忧的问题：虽然从城市下水道或污水处理厂取样本质上是匿名的，但监测大学宿舍等较小出水口的废水可能看起来具有侵入性。洛克菲勒基金会的研究员梅根·戴蒙德正在与布莱特合作开发新冠废水数据数据库，她说，与社区合作建立信任，并教育人们废水追踪可以做什么和不能做什么至关重要。
测序技术也很昂贵。根据世界银行分析的COVIDPoops19数据，超过85%的追踪点位于高收入国家。即使在美国国内，追踪工作也无法做到全面，因为研究人员只能轻松访问公共污水系统，而大约20%的美国家庭使用化粪池，这部分数据被遗漏了。诺顿、洛克菲勒基金会团队和其他人正在寻求将这项技术和监测数据库扩展到发展中国家，在这些国家，诊所较少，患者监测较少，无偏见的抽样方法更具价值。“我们需要让监测不仅仅成为第一世界的奢侈品的方法，”布莱特说。