新冠病毒在全球范围内持续蔓延，累计确诊病例已超过550万，世界卫生组织将其认定为全球大流行病。病毒的检测和筛查对于疫情防控具有重要意义，核酸和抗体检测是目前通用的检测方法，具有较高的敏感性和特异性，但需要复杂的样品处理、熟练的操作人员、长时间的数据处理和分析，不利于实时有效监测和预警预报。开发高效、灵活的大规模人群中病毒感染水平预测方法及流行病传播预警系统显得尤为重要。

多国研究者都从新冠病毒患者的粪便和尿液中分离出了活的新冠病毒或其遗传物质（RNA），还有研究发现新冠病毒可在患者感染后3天内出现在粪便中，远早于患者转为重症所需的时间。《柳叶刀》子刊《The Lancet Gastroenterology & Hepatology》发表的1篇文章报道了有患者呼吸道样本新冠病毒检测转阴性后，其粪便样本呈病毒阳性的时间仍可长达近5周。随粪尿排出的病毒会进入污水，目前研究人员已经在荷兰、美国、瑞典等多国的污水中检测到了新冠病毒的踪迹。基于污水的流行病学方法为病毒传播预警或疫情爆发判断提供了1种新思路——通过监测污水中的特征标志物来预测传染病的潜在传播。新冠疫情爆发后，环境领域研究人员也快速行动起来，目前已有十几个研究团队正在通过对污水中新冠病毒的检测来预测某个地区的感染情况。

基于污水的流行病学（WBE）是1种相对较新的方法，其基础是对污水中的污染物和生物标记物进行化学分析，以获得有关给定废水集水区内居民活动的定性和定量数据。WBE可提供环境化学物质使用和接触的信息，还可根据污水中的生物标记物来估计某些疾病的流行程度，以协助指导决策。该方法于2001年首次提出，被用作评估社区内非法药物使用和治疗药物滥用的潜在工具，现已被批准为追踪非法药物和获取有关健康、疾病和病原体信息的有效方法。已有研究通过对污水进行监测，来检测诺如病毒、脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒、抗药性细菌和麻疹等的爆发，并为疾病防控提供了重要信息。

污水厂通过污水管网承接了城市千家万户排放的污水，相比于人体病毒核酸检测，监测污水厂来水的病毒能够覆盖的人数更加广泛，包括不能及时进行人体检测或者未出现症状而不进行检测的感染者，因此能够更好的预测以感染规模及程度，这也是目前一些学者提出应用WBE预警新冠病毒的理论基础。在荷兰阿默斯福特，该国KWR水资源研究所的科学家在当地报告首例病患前，就从废水中检测出了新冠病毒的RNA。荷兰通过临床手段确认该国首例新冠肺炎患者4天后，该国公共卫生与环境研究所的科学家就在阿姆斯特丹史基浦机场的废水中找到了病毒踪迹。相关研究表明，病毒RNA在人体感染后的第3天就在其排泄物中检测到了病毒核酸，这远远快于新冠肺炎病毒的14天潜伏期。因此，对污水进行病毒检测，能够及时发现病毒的出现，以便提前让决策部门采取干预措施，降低疫情对人体健康和社会经济的不利影响。西班牙污水检测结果也支持WBE可作为疫情爆发预警判断的方法，在西班牙出现临床确诊病例前已经在污水中检测到了新冠病毒遗传物质RNA，其中部分地区污水中检测到病毒RNA的时间甚至比首例感染者临床确诊时间提前了十几天。

除疫情预警外，学者认为污水监测还可作为疾病传播动态监测的辅助手段。在法国污水RNA检测研究中，研究人员在巴黎地区进行了4次间隔相对均匀的时序采样，并将RNA浓度变化与临床确诊人数进行了横向对比分析。对比结果显示，在采样时段内，污水中病毒RNA含量上升趋势与污水处理厂服务区域临床确诊人数变化趋势存在良好的正相关性，为WBE用于表征新冠病毒传播动态变化趋势提供了有力证据支撑。美国蒙大拿州RNA检测结果表明，WBE检测对于疫情缓解也具有较好的指示性表征。研究人员在蒙大拿波兹曼地区进行了为期9天高频率的污水RNA检测，结果显示，污水中病毒RNA含量呈现下降趋势，这与该地区临床确诊数病例呈逐渐下降趋势有着很好的一致性。

WBE作为疾病预警和传播监测手段具有几项优势：

1、监测规模大，覆盖面广。1个污水处理厂可以处理100多万人的废水，样本量大，监测这种规模的疾病感染情况，能比试剂检测更准确地估计新冠病毒的传播范围。

2、预警时间比临床检测早，能更好监控无症状感染者。污水当中的病毒含量可以反映出那些轻症或无症状感染者的情况，通过污水监测能够用来对大范围人群是否存在病毒以及感染水平的变化提供指引。

3、不受实验资源紧缺的影响。新冠疫情爆发后，相关检测试剂供应紧张，而污水监测不会占用相关资源。

4、非侵入性的近实时方法，容易实现。

同时，WBE在流行病预警中的应用也面临巨大的挑战。证明病毒的RNA在污水样本中可以检测到只是重要的第一步，更大的挑战是，如何将污水样本中的病毒RNA浓度与社区中的实际感染规模相关联，使其具有预测性。由于WBE采用的是“点对面”的预测模式，从污水管网末端采样，要实现病例的精准追踪和感染规模的精确反算都是很困难的。首先需要完善的污水处理管网，其次需要了解患者粪便中能包含多少病毒RNA，同时，还需要确保正在研究的是1个代表性的废水样本，明确病毒会如何在废水中稀释，以及怎样在低水平浓度上检测到病毒。这些都需要更加深入的研究。

尽管目前WBE的应用还非常有限，但不可否认其在流行病预警、传播及预测方面的重要作用和价值。城市污水管网的不断完善和优化及城市排水系统的智能化发展，都为WEB研究和应用提供了可能和契机，随着研究的不断深入，WEB有望成为流行病预警及控制系统重要的一部分。

主要参考文献

[1] 刘然彬, 郝晓地, Mark van Loosdrecht, 等. 污水流行病学(WBE)用于新冠肺炎预警研究进展[J]. 中国给水排水, 2020, https://kns.cnki.net/KCMS/detail/12.1073.tu.20200508.0925.002.html.

[2] Smriti Mallapaty. How sewage could reveal true scale of coronavirus outbreak[J]. Nature, 2020, 580: 176-177.

[3] Kang Mao, Hua Zhang, Zhugen Yang. Can a Paper-Based Device Trace COVID-19 Sources with Wastewater-Based Epidemiology[J]. Environmental Science & Technology, 2020, 54 (7): 3733-3735.