废水如何帮助南非对抗COVID-19？

南非医学研究协会（South African Medical Research Association）的一个小组在茨瓦内的一个污水处理设施对废水进行采样。

对废水处理厂的样本进行冠状病毒检测可以对疫情爆发和新变异体进行早期预警。

周一是南非开普敦的样本收集日，Aqeelah Benjamin的工作已经完成了一半。在大西洋沿岸长廊下的绿点污水处理厂，她从一个水龙头处装满了500毫升未经处理的水。她擦拭瓶子的外部，用酒精喷雾清洁它，然后将其存放在冰上。

这是Benjamin今天将收集的九个样本之一，每个样本均来自不同的设施。稍后，她将把它们送到南非医学研究委员会（South African Medical Research Council, SAMRC）的实验室，在那里，这些样本将被检测出是否存在SARS-CoV-2，即导致COVID-19的病毒。但这只是样本潜力的一小部分，废水包含了大量有关公共卫生的信息，而科学家们才刚刚开始挖掘它的潜力。

废水检测可以为社区健康提供一个无偏见的快照：无论他们是否有机会进入医疗保健系统，每个人都必须上厕所。当流出物进入处理设施时，研究人员可以对其进行监测，以确定可能存在哪些病原体。40多年来，研究人员一直使用废水来监测脊髓灰质炎病毒（poliovirus）的传播。诺如病毒（Norovirus）、流感病毒（influenza）、肝炎病毒（hepatitis virus）和麻疹病毒（measles virus）也可以在废水中被发现。现在，越来越多的国家开始使用废水来监测COVID-19的扩散。由加州大学（University of California）默塞德分校的研究人员运营的令人难忘的COVIDPoops19仪表板列出了54个国家/地区的2200多个监测站点（参见go.nature.com/3fjfcjt）。

南非是在全国范围内推广该技术的少数几个国家之一。但这个过程并不容易，研究人员正在努力克服后勤方面的障碍，并将该技术推广到没有污水处理基础设施的大部分人口中。

SAMRC在南非九个省中的四个省（西开普省，开普敦的所在地；东开普省和林波波省的农村地区；以及豪登省，其中包括南非最大的城市约翰内斯堡及其行政首都比勒陀利亚）开展了一项研究计划。去年6月，在表明可以在5个处理厂的废水中检测出SARS-CoV-2后，SAMRC将监测扩展到另外19个工厂，以解决扩大工作规模的后勤问题。

这项工作强调了在南非运作的具体问题 。例如，从偏远地区收集样本的困难会减缓诊断过程。滚动停电，在当地被称为“减负”，会阻碍全天对废水进行采样的设备的运行。这些被称为复合采样器的机器也很容易被盗。考虑到这一点，以及采样器的成本，南非的研究人员倾向于使用“抓取样本”（grab samples），如Benjamin的样本。这些样本通常被认为不如来自复合采样器的样本具有代表性，因为它们只代表单一时点的快照。但是南非水研究委员会（South African Water Research Commission, WRC）的一项研究发现这两种方法在检测SARS-CoV-2的效果上几乎没有区别（见go.nature.com/3v1mpm4）。

周一下午，在Benjamin和另外两名采集者将他们的样本送到位于开普敦北部郊区帕罗的SAMRC实验室后，Richardson见到了SAMRC生物医学研究和创新平台（AMRC’s Biomedical Research and Innovation Platform）的副主任Rabia Johnson。该实验室专攻研究分子生物学和细胞培养系统，近一年来一直在监测废水中的SARS-CoV-2。Johnson表示，他认为他们已经有了（南非）从第一波疫情到第二波疫情最全面的纵向数据库。

在Johnson办公室楼上的实验室里，研究人员用离心机浓缩样品，然后用德国希尔登的分子试剂公司Qiagen的试剂盒提取一些病毒RNA。该试剂盒优化了从土壤（而不是水中）中提取的RNA。但康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学（Yale University）的研究人员已经证明，与传统技术相比，它能更好地处理废水中发现的不需要的有机物质（J. Peccia等人，medRxiv的预印本https://doi.org/gc9k; 2020）。然后，该团队将提取的RNA转移到一个“干净”的房间，以监测SARS-CoV-2，避免污染的风险。研究人员使用一种称为实时定量聚合酶链反应（real-time quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR）的技术来量化编码病毒核衣壳蛋白的RNA数量。其它病毒序列也被添加进来以评估性能，并且还加入了两个关键变种的阳性对照：501Y.V2，首次在南非发现；以及B.1.1.7，在英国发现。荧光信号表明核衣壳RNA是存在的。

最后，Johnson对数据进行了处理，并将其发送到SAMRC的环境和健康资源部（SAMRC’s Environment and Health Resource Unit）。那里的研究人员将数据上传到SAMRC的仪表板上，这是一个在2020年11月推出的公共资源，在地图上绘制病毒传播图（见go.nature.com/3ukn74u）。据该单位的高级科学家Renée Street表示，每周约有700人访问这项服务。

预警系统

由于废水检测可以在症状出现前7-14天捕捉到病毒的存在，因此它可以为局部爆发提供宝贵的早期预警。Johnson表示，卫生官员随后可以确保可获得的必要资源、设备和个人防护装备。

但这仍然是理论上的。在南非，废水数据还没有被直接用来为控制措施的决策提供信息，如有针对性地封锁或资源分配。但它们已经与其它来源的信息一起使用，包括病例数和入院人数。Street表示，这仍然是非常新的科学，他们仍然在研究不同的信号是什么，以及在什么信号水平上他们需要采取行动。

该技术识别热点的能力受制于处理厂的服务区域，传播范围越广，就越难确定小规模的爆发，并且有一个设施至少为85万多人提供服务。但是开普敦的流行病学家Natacha Berkowitz表示，目标是将感染定位到一个小的单位区域，如郊区。

大流行之后，该市计划利用废水来定期监测脊髓灰质炎和其它病毒。尽管南非已被宣布为无脊髓灰质炎国家，但在大流行期间错过疫苗接种可能会导致脊髓灰质炎爆发。Berkowitz表示，如果他们监测到小儿麻痹症的阳性信号，他们会关注那个特定的排水区，也许会增加疫苗接种或社区教育。

偏远地区

废水检测的优点是它对人群进行采样，不需要对个人采取任何行动。它还具有成本效益，因为一个样本可以检测多种病原体，而且大多数实验室都能进行检测。比勒陀利亚大学（University of Pretoria）的病毒学家Janet Mans表示，如果有病原体检测的医疗设备，应该能够做到这一点。

但该技术也有缺点。例如，将信号与特定地点或群体联系起来并不容易。此外，它只监测连接到下水道系统的家庭。而根据2011年的人口普查，全国约40%的家庭没有连接到下水道的冲水马桶。将监测范围扩大到这些地区，就能普及到更多的人口。

在比勒陀利亚，一家名为Waterlab的私人机构正在与WRC合作，将监测范围扩大到没有水的社区。Waterlab的专家顾问Gina Pocock表示，他们的想法是建立一个框架，开始使用河流和地表水的样本。

为了监测一段时间内的趋势，从持续受到废水污染的地点采集样本。这包括未铺设水渠、非正式（或未规划）定居点的下游河流，以及来自洗澡和水槽的地表径流和“黑”水，后者在厕所附近汇集，含有粪便。

正在与Waterlab合作研究提取和检测核酸方法的Mans表示，这样的样品可能很难处理。环境样品通常含有能抑制PCR扩增核酸的化合物，因此添加内部控制序列是必要的。Mans还表示，如果内部控制序列在样品被稀释了1/10之后仍然受到抑制，那么这个样品就被认为是无效的。只有当内部控制序列在该稀释度下扩增时，一个样品才能被认为是阴性。

同样困难的是分析，特别是确定样本可能代表多少人。研究人员必须使用其它参数的总体趋势作为人的数量的代表。Pocock提出，在Waterlab，研究人员使用细菌密度“以获得水中粪便负荷的指示”。

Pocock表示，他们不知道今天早上有多少人冲了马桶，这不是一门明确的科学，但可以认为的是这代表他们的病毒负荷以及这个群体有X人患病。而对于河流来说，更是如此。因此，他们看的是趋势。

优点和缺点

这些趋势应有助于评估南非应对COVID-19的有效性。

位于坦佩的亚利桑那州立大学环境卫生工程生物设计中心（Biodesign Center for Environmental Health Engineering at Arizona State University）主任Rolf Halden已经对废水进行了近20年的监测。去年，他参加了一项研究，研究大规模监测的可行性，对美国100个城市的3600万人的废水进行监测，每周两次，为期8周，检测SARS-CoV-2。他的目标是将其覆盖范围扩大到全球的10亿人口。Halden及其团队发现，有可能以很少的投资收集大量可操作的信息，同时仍然保护人们的隐私。

尽管对该技术的潜力充满热情，但Halden也承认它的不足之处。例如，监测点的温度很重要，人们与监测点的距离也很重要。据他解释，一个监测点的信号可能来自靠近该点的一个人，也有可能来自更远的一万个人。

随着技术变得更加强大，也有伦理和道德方面的考虑。从隐私的角度来看，人口的汇总数据通常被认为是安全的，因为个人无法被识别。然而，随着分析技术的进步，或许会有可能识别人类的DNA，促使人们关注谁应该有权访问技术和数据（D. Jacobs等人，IEEE Trans. Technol. Soc. https://doi.org/gc9m; 2021）。Halden还提出，道德和伦理框架必须成长，最好是在技术被应用之前。

尽管如此，潜在的好处仍然是强大的激励因素。Halden表示，废水监测使研究人员能够保持“对人类脉搏的关注”。

原文检索：
Heather Richardson. (2021) How waste water is helping South Africa fight COVID-19. Nature, 593 (7860): 616-617.
郭庭玥/编译