廢水監測在大型軍用艦船新型冠狀病毒肺炎防控中的作用探討

張宏偉

2019 年12 月出現的新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19），簡稱“新冠肺炎”,已經成為全世界大流行疾病。此次大流行是自1918 年甲型流感暴發以來最為嚴重的疫情，對人類的工作和生活以及整個世界的秩序產生了重大的影響。全世界的疫情防控雖然取得了階段性的效果，但病毒變異株的出現如德爾塔病毒株、BA.2 病毒株以及奧密克戎病毒株等增加了疫情防控的難度。現階段疫情防控主要是在疫苗接種的同時，加強采取佩戴口罩、勤洗手和保持社交距離等措施。這些措施在阻止疫情的傳播和蔓延方面發揮了重要作用。新型冠狀病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2），簡稱“新冠病毒”，感染者的早發現則是疫情防控中最為關鍵的環節之一。海軍部隊承擔著重要的軍事任務，最大限度地控制新冠肺炎疫情的影響是當前緊迫的工作，大型軍用艦船部隊新冠肺炎疫情防控是其中最為重要的組成部分。筆者就大型軍艦新冠病毒感染控制中如何早期發現感染者，從而及時采取防控措施進行探討。

1 大型軍用艦船人員新冠肺炎疫情防控的緊迫性

軍用艦船如航母作為海軍重要的力量，在維護國家安全，執行重大任務等行動中發揮著重要的作用。大型軍用艦船所承載的人員種類多、數量大，在現階段疫情背景下，能否做到有效控制感染和防止疫情發生，是關系到能否保證大型軍用艦船作戰能力，能否及時完成所承擔任務的關鍵。疫情發生以來，外國海軍尤其是美國和英國海軍已經發生多起新冠肺炎聚集疫情，嚴重影響了正常的作訓。資料表明美國海軍已經有包括航母在內的累計190多艘軍艦遭遇新冠肺炎疫情，超過了美國海軍所部屬軍艦（296）的64%［1］。因此，要充分認識所面臨的新冠肺炎疫情對海軍部隊的影響，高度重視新冠肺炎疫情的防控工作。

新冠病毒感染的途徑復雜，目前仍在不斷認識當中。新冠肺炎確診病例和無癥狀感染者是主要的傳染源。傳播途徑主要是經呼吸道飛沫和密切接觸傳播；接觸被病毒污染的物品以及在相對封閉的環境中暴露于高濃度氣溶膠也可造成感染；同時，傳染源的糞便、尿液對環境污染也可能造成接觸傳播或氣溶膠傳播。目前，國內陸續發生的新冠肺炎疫情主要是由于港口和機場相關作業人員接觸境外物品造成的感染而引起。大型軍用艦船尤其是航母上的人員就像生活在一個海上移動的居民社區，房間密集，人員密度高，人與人之間的距離比較近。新冠病毒常見的傳播途徑都可能在大型軍用艦船上存在，一旦出現新冠病毒感染者，很容易在短時間內發生傳播，如果沒有及時發現并給予有效控制，就會發生聚集性疫情，從而造成嚴重的后果。所以，在大型軍用艦船部隊中建立感染者早發現的監測方法是非常必要的。

2 廢水流行病學監測在新冠病毒感染者早發現中的潛在價值及作用

新冠肺炎給世界的公共衛生帶來了重大的挑戰。缺乏發現潛在病例的有效方法和不能準確地監測疫情導致新冠肺炎迅速蔓延，阻礙了許多國家開展疫情防控工作。構成傳染病流行3 個部分中的傳播途徑和人群易感性對于新發傳染病的新冠病毒很容易實現，所以傳染源的早期發現就變得格外重要。新冠肺炎潛伏期為1～14 d，在發病前1～2 d 和發病初期的傳染性相對較強。所以，在新冠肺炎疫情防控中感染者的早發現是整個防控綜合措施中的重要環節。新冠肺炎疫情處置效果與及時發現早期感染者有著極其密切的聯系。目前核酸檢測作為發現新冠病毒感染者的手段，已經普遍運用到實際的防控工作之中并發揮了重要作用。在全國各地發生的疫情中，通過多輪的核酸檢測已達到及時發現感染者，這對阻斷疫情蔓延和及時應急處置起到了關鍵作用。這種方法的價值也在前期發生的幾起疫情控制中得到了證實。但是，核酸檢測只是在緊急狀態下使用的方法，作為一種監測手段的價值不大且可行性低，主要是受時間長、費用高等因素影響，不能成為大范圍、長期連續日常監測的手段。

基于廢水的流行病學（wastewater based epidemiology，WBE）監測，又稱廢水監測（wastewater monitoring，WM）或污水監測，適用于對人類排泄物中生物體、基因和化學品進行監測。WBE 監測的資料可以用來了解集水區的人口健康狀況，已成功用于脊髓灰質炎病毒、麻疹和非法藥物的監測中等，并取得較為理想的效果。目前人們正在開展其在新冠肺炎疫情控制應用方面的研究。WBE 是追蹤新冠病毒在人群中傳播有價值的早期預警的監測工具，監測的對象既包括有癥狀的患者，也包括無癥狀感染者和漏診的感染者。以往WBE 監測針對的病原體都為腸道微生物。雖然新冠肺炎是冠狀病毒引起的呼吸道疾病，但在病例的糞便中發現有大量的冠狀病毒基因組的脫落，最終到達廢水中。冠狀病毒通過糞便排出，在廢水（未經處理的廢水）中可以存活數小時至數天。新冠病毒動力學研究表明，糞便中的病毒可平均持續22 d［2］。資料顯示，在沒有任何病例報告之前，在污水樣本中就可以檢測到新冠病毒RNA，新冠病毒基因組單位增加后，新冠病毒的數量也隨之增加，說明通過健康監測系統發現病例之前，開展病毒監測以達到早發現感染者是可行的［3-4］。在加利福尼亞大學圣迭戈分校，利用廢水檢測可以追蹤到85% 的案例。當采集的樣本呈陽性時，學校就會發出有針對性的信息，以便開展相關的檢測和隔離等措施。匈牙利在第1 波新冠肺炎疫情之后，引入了污水監測以預測感染的復燃。數據表明，在病例數上升前2 周檢測到污水中的第1 個陽性信號，有效地預測了匈牙利暴發的第2 波疫情。研究表明，廢水監測方法即使在相對較低頻率（每周）采樣的情況下也是有效的，同時也是疫情檢測方法中具有較高成本效益的方法［5］。在西班牙開展的一項對處理巴塞羅那市區約85% 居民的2 座大型污水廠的研究表明，在報告第1 例新冠肺炎病例之前41 d，已經在污水中檢測到了新冠病毒，提示廢水監測對早期發現人群中病例的有效性。污水監測可以預測新冠肺炎的暴發，指導開展迅速和充分的措施來減輕大流行的影響，并且可以對控制措施的影響進行評估［6］。污水監測早期發現集水區范圍內的新冠病毒感染情況，用于指導追蹤病例、預測疫情變化、確定檢測目標、估計目標區內感染者總人數、評估和驗證干預措施有效性以及確認疫情結束等方面。此外，還將在描述疫苗普及程度和效力等方面發揮重要作用。

大型軍用艦船上污水來源的范圍以及收集和處理的方法明確，利用污水建立監測平臺的可行性高且容易實施。大型軍用艦船建有污水艙和灰水艙，從常規廢水監測的樣本來源上來看，污水艙可作為首選的監測點。灰水艙采樣是否能夠滿足檢測樣本的要求，還需開展進一步的調查。通過對集水區和不同分支污水的采樣檢測，可以對所屬人員的健康相關資料進行長期、連續地收集，實時分析數據的變化，評估潛在風險，準確調節防控措施。所以，在污水中檢測新冠病毒作為大型軍用艦船人群中是否發生該病毒傳播以及確定暴發規模的監測工具，不但具有重大的實際價值而且還具有較高的可行性。

3 大型軍用艦船建立新冠病毒感染早發現監測系統的思考

有效地預防、監測和干預對于減緩和阻止大型軍用艦船新冠肺炎的傳播與流行具有重要意義。利用污水開展新冠病毒早期檢測是一種非侵入性的預警方法，在大型軍用艦船上利用污水構建新冠病毒篩查和早發現潛在感染者的監測系統，可以提供快速、可行性高和可靠的途徑進行新冠肺炎的預防、評估和干預。通過監測結果可提示大型軍用艦船人群中是否存在新冠肺炎感染，及時早發現并預測新冠疫情，為開展更快速、更安全地應急處置提供支撐。同時也為其他艦艇提供具有實際意義的有效方法。為此，應在以下幾個方面進行論證和研究。

3.1 開展大型軍用艦船感染者早發現監測系統建立技術的研究 在污水中可以檢測到多種病原體，包括新冠病毒，在未經處理的廢水中存在新冠病毒，甚至可能持續數周，這是利用廢水開展流行病學監測的基礎。實踐證明WBE 已成為有價值的疫情監測輔助手段，在提供疫情的實時監測和控制等方面發揮了重要作用。在新冠疫情的防控中，可在發現病毒的潛在傳播、已知變異的傳播及其未來的演變等方面發揮獨特的作用。艦隊指揮員可依據科學的信息采取相應的措施如追蹤、限制人員流動以及確定恢復正常活動的時間等。在大型軍用艦船上開展感染者早發現監測技術相關的研究，應針對大型軍用艦船的實際情況，對監測的環節開展研究，如采樣方案、病毒檢測方法、建立通過病毒數量預測病例流行率的模型以及確定具體的檢測限等。然而廢水樣本中新冠病毒檢測/量化的主要挑戰之一是缺乏優化和標準化的方案。

大型軍用艦船屬于低發病率的環境，開發敏感度和特異度高的檢測方法十分重要。大型軍用艦船應用的方法應符合快速、靈敏和定量等條件，以滿足實際的需要。目前有多種檢測手段，但靈敏度和特異度相差較大，其中較為理想的檢測方法是定量逆轉錄聚合酶鏈反應（quantitative real time polymerase chain reaction，qRT-PCR）。以每毫升污水中10 個新冠病毒RNA 基因組為檢測限，利用qRTPCR 方法可在完全均質的廢水中檢測出新冠病毒的有效范圍是在每144 萬到200 萬人中有1 人感染［7］。基于紙質設備的方法能實現病原體快速診斷和確定感染傳播，同時成本廉價，它克服了PCR 的局限性，并用于多種病原體感染檢測［8］。生物傳感器具有快速響應、低成本等特點，在檢測廢水中的藥物、生物分子和微生物等領域得到應用。用于污水分析的生物傳感器可為新冠疫情的預防、監測和干預提供參考，可以較早地追蹤潛在的病毒攜帶者，降低了大型軍用艦船人員受感染的風險，同時可提供實時監測信息。

3.2 開展適合大型軍用艦船污水收集方法的研究 有效的采樣方法在廢水監測中是至關重要的，是準確描述新冠病毒傳播的重要基礎。目前針對廢水監測中廢水濃縮方法主要包括超濾、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）沉淀、直接污泥提取和脫脂牛奶絮凝等，主要針對的是非包膜腸道病毒。由于新冠病毒是一種包膜的呼吸道病毒，不同采樣地點的廢水情況也存在很大差異，在某種環境下可行的方法在其他環境中可能不一定可行。所以，這些方法如何在大型軍用艦船上進行優化、標準化以及運用都需要研究加以明確。目前，還缺乏在大型軍用艦船所處的環境和溫度變化條件下，比如不同季節、不同地區以及廢水溫度等，新冠病毒在下水道降解損失相關的科學數據。此外，還應開展針對新冠病毒隨溫度變化的衰減和可檢測性，以及降低檢測限和提高監測數據精度等方面的研究工作。

3.3 數據參數和模型優化可提高監測預警準確性 目前，核酸聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）檢測方法用于新冠肺炎患者的確認。雖然PCR 具有較高的靈敏度和特異性，但是，處理實驗室復雜樣品需要熟練的人員，數據處理和分析的周期較長。同時，在有效使用這一監測方法時還需要考慮溫度效應對監測數據的影響，從而保證能夠獲得可靠的數據。建立通過病毒數量預測病例的模型是較為復雜的過程，應結合其他來源的數據進行參數的設定和模型的校正及優化，及時準確地監測病毒隨時間的分布和流行的空間變化等。同時應將廢水監測的數據與大型軍用艦船的公共衛生數據相結合，共同為決策服務。由廢水中檢測出的病毒載量到人群感染狀況的評估，需要通過算法建立模型參數，優化模型并利用模擬的數據進行驗證，整個過程的每個環節都需要開展相關的研究加以確定。對于大型軍用艦船來講，環境條件、人群規模以及廢水處理方式相對穩定，這方面工作的開展有其獨特的優勢。優化后的模型對于其他艦船具有很大的參考意義。

4 小結

在新冠肺炎大流行中，WBE 的迅速發展表明其未來應用的潛力巨大。WBE 是追蹤新冠病毒感染的一種快速、經濟且靈敏穩定的方式，可以用來提醒疫情防控相關人員注意特定排水區中存在的感染者。在大型軍用艦船上開展相關研究，確定符合實際的技術指標和方案，建立廢水流行病學監測系統。該方法不但可監測傳染病疫情，還可以用于大型軍用艦船艦員健康指標的監測。WBE 有能力為大型軍用艦船疫情防控的決策提供信息，對提升衛生保障能力有著重要的作用。