废水监测在大型军用舰船新型冠状病毒肺炎防控中的作用探讨

张宏伟

2019 年12 月出现的新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19），简称“新冠肺炎”,已经成为全世界大流行疾病。此次大流行是自1918 年甲型流感暴发以来最为严重的疫情，对人类的工作和生活以及整个世界的秩序产生了重大的影响。全世界的疫情防控虽然取得了阶段性的效果，但病毒变异株的出现如德尔塔病毒株、BA.2 病毒株以及奥密克戎病毒株等增加了疫情防控的难度。现阶段疫情防控主要是在疫苗接种的同时，加强采取佩戴口罩、勤洗手和保持社交距离等措施。这些措施在阻止疫情的传播和蔓延方面发挥了重要作用。新型冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2），简称“新冠病毒”，感染者的早发现则是疫情防控中最为关键的环节之一。海军部队承担着重要的军事任务，最大限度地控制新冠肺炎疫情的影响是当前紧迫的工作，大型军用舰船部队新冠肺炎疫情防控是其中最为重要的组成部分。笔者就大型军舰新冠病毒感染控制中如何早期发现感染者，从而及时采取防控措施进行探讨。

1 大型军用舰船人员新冠肺炎疫情防控的紧迫性

军用舰船如航母作为海军重要的力量，在维护国家安全，执行重大任务等行动中发挥着重要的作用。大型军用舰船所承载的人员种类多、数量大，在现阶段疫情背景下，能否做到有效控制感染和防止疫情发生，是关系到能否保证大型军用舰船作战能力，能否及时完成所承担任务的关键。疫情发生以来，外国海军尤其是美国和英国海军已经发生多起新冠肺炎聚集疫情，严重影响了正常的作训。资料表明美国海军已经有包括航母在内的累计190多艘军舰遭遇新冠肺炎疫情，超过了美国海军所部属军舰（296）的64%［1］。因此，要充分认识所面临的新冠肺炎疫情对海军部队的影响，高度重视新冠肺炎疫情的防控工作。

新冠病毒感染的途径复杂，目前仍在不断认识当中。新冠肺炎确诊病例和无症状感染者是主要的传染源。传播途径主要是经呼吸道飞沫和密切接触传播；接触被病毒污染的物品以及在相对封闭的环境中暴露于高浓度气溶胶也可造成感染；同时，传染源的粪便、尿液对环境污染也可能造成接触传播或气溶胶传播。目前，国内陆续发生的新冠肺炎疫情主要是由于港口和机场相关作业人员接触境外物品造成的感染而引起。大型军用舰船尤其是航母上的人员就像生活在一个海上移动的居民社区，房间密集，人员密度高，人与人之间的距离比较近。新冠病毒常见的传播途径都可能在大型军用舰船上存在，一旦出现新冠病毒感染者，很容易在短时间内发生传播，如果没有及时发现并给予有效控制，就会发生聚集性疫情，从而造成严重的后果。所以，在大型军用舰船部队中建立感染者早发现的监测方法是非常必要的。

2 废水流行病学监测在新冠病毒感染者早发现中的潜在价值及作用

新冠肺炎给世界的公共卫生带来了重大的挑战。缺乏发现潜在病例的有效方法和不能准确地监测疫情导致新冠肺炎迅速蔓延，阻碍了许多国家开展疫情防控工作。构成传染病流行3 个部分中的传播途径和人群易感性对于新发传染病的新冠病毒很容易实现，所以传染源的早期发现就变得格外重要。新冠肺炎潜伏期为1～14 d，在发病前1～2 d 和发病初期的传染性相对较强。所以，在新冠肺炎疫情防控中感染者的早发现是整个防控综合措施中的重要环节。新冠肺炎疫情处置效果与及时发现早期感染者有着极其密切的联系。目前核酸检测作为发现新冠病毒感染者的手段，已经普遍运用到实际的防控工作之中并发挥了重要作用。在全国各地发生的疫情中，通过多轮的核酸检测已达到及时发现感染者，这对阻断疫情蔓延和及时应急处置起到了关键作用。这种方法的价值也在前期发生的几起疫情控制中得到了证实。但是，核酸检测只是在紧急状态下使用的方法，作为一种监测手段的价值不大且可行性低，主要是受时间长、费用高等因素影响，不能成为大范围、长期连续日常监测的手段。

基于废水的流行病学（wastewater based epidemiology，WBE）监测，又称废水监测（wastewater monitoring，WM）或污水监测，适用于对人类排泄物中生物体、基因和化学品进行监测。WBE 监测的资料可以用来了解集水区的人口健康状况，已成功用于脊髓灰质炎病毒、麻疹和非法药物的监测中等，并取得较为理想的效果。目前人们正在开展其在新冠肺炎疫情控制应用方面的研究。WBE 是追踪新冠病毒在人群中传播有价值的早期预警的监测工具，监测的对象既包括有症状的患者，也包括无症状感染者和漏诊的感染者。以往WBE 监测针对的病原体都为肠道微生物。虽然新冠肺炎是冠状病毒引起的呼吸道疾病，但在病例的粪便中发现有大量的冠状病毒基因组的脱落，最终到达废水中。冠状病毒通过粪便排出，在废水（未经处理的废水）中可以存活数小时至数天。新冠病毒动力学研究表明，粪便中的病毒可平均持续22 d［2］。资料显示，在没有任何病例报告之前，在污水样本中就可以检测到新冠病毒RNA，新冠病毒基因组单位增加后，新冠病毒的数量也随之增加，说明通过健康监测系统发现病例之前，开展病毒监测以达到早发现感染者是可行的［3-4］。在加利福尼亚大学圣迭戈分校，利用废水检测可以追踪到85% 的案例。当采集的样本呈阳性时，学校就会发出有针对性的信息，以便开展相关的检测和隔离等措施。匈牙利在第1 波新冠肺炎疫情之后，引入了污水监测以预测感染的复燃。数据表明，在病例数上升前2 周检测到污水中的第1 个阳性信号，有效地预测了匈牙利暴发的第2 波疫情。研究表明，废水监测方法即使在相对较低频率（每周）采样的情况下也是有效的，同时也是疫情检测方法中具有较高成本效益的方法［5］。在西班牙开展的一项对处理巴塞罗那市区约85% 居民的2 座大型污水厂的研究表明，在报告第1 例新冠肺炎病例之前41 d，已经在污水中检测到了新冠病毒，提示废水监测对早期发现人群中病例的有效性。污水监测可以预测新冠肺炎的暴发，指导开展迅速和充分的措施来减轻大流行的影响，并且可以对控制措施的影响进行评估［6］。污水监测早期发现集水区范围内的新冠病毒感染情况，用于指导追踪病例、预测疫情变化、确定检测目标、估计目标区内感染者总人数、评估和验证干预措施有效性以及确认疫情结束等方面。此外，还将在描述疫苗普及程度和效力等方面发挥重要作用。

大型军用舰船上污水来源的范围以及收集和处理的方法明确，利用污水建立监测平台的可行性高且容易实施。大型军用舰船建有污水舱和灰水舱，从常规废水监测的样本来源上来看，污水舱可作为首选的监测点。灰水舱采样是否能够满足检测样本的要求，还需开展进一步的调查。通过对集水区和不同分支污水的采样检测，可以对所属人员的健康相关资料进行长期、连续地收集，实时分析数据的变化，评估潜在风险，准确调节防控措施。所以，在污水中检测新冠病毒作为大型军用舰船人群中是否发生该病毒传播以及确定暴发规模的监测工具，不但具有重大的实际价值而且还具有较高的可行性。

3 大型军用舰船建立新冠病毒感染早发现监测系统的思考

有效地预防、监测和干预对于减缓和阻止大型军用舰船新冠肺炎的传播与流行具有重要意义。利用污水开展新冠病毒早期检测是一种非侵入性的预警方法，在大型军用舰船上利用污水构建新冠病毒筛查和早发现潜在感染者的监测系统，可以提供快速、可行性高和可靠的途径进行新冠肺炎的预防、评估和干预。通过监测结果可提示大型军用舰船人群中是否存在新冠肺炎感染，及时早发现并预测新冠疫情，为开展更快速、更安全地应急处置提供支撑。同时也为其他舰艇提供具有实际意义的有效方法。为此，应在以下几个方面进行论证和研究。

3.1 开展大型军用舰船感染者早发现监测系统建立技术的研究 在污水中可以检测到多种病原体，包括新冠病毒，在未经处理的废水中存在新冠病毒，甚至可能持续数周，这是利用废水开展流行病学监测的基础。实践证明WBE 已成为有价值的疫情监测辅助手段，在提供疫情的实时监测和控制等方面发挥了重要作用。在新冠疫情的防控中，可在发现病毒的潜在传播、已知变异的传播及其未来的演变等方面发挥独特的作用。舰队指挥员可依据科学的信息采取相应的措施如追踪、限制人员流动以及确定恢复正常活动的时间等。在大型军用舰船上开展感染者早发现监测技术相关的研究，应针对大型军用舰船的实际情况，对监测的环节开展研究，如采样方案、病毒检测方法、建立通过病毒数量预测病例流行率的模型以及确定具体的检测限等。然而废水样本中新冠病毒检测/量化的主要挑战之一是缺乏优化和标准化的方案。

大型军用舰船属于低发病率的环境，开发敏感度和特异度高的检测方法十分重要。大型军用舰船应用的方法应符合快速、灵敏和定量等条件，以满足实际的需要。目前有多种检测手段，但灵敏度和特异度相差较大，其中较为理想的检测方法是定量逆转录聚合酶链反应（quantitative real time polymerase chain reaction，qRT-PCR）。以每毫升污水中10 个新冠病毒RNA 基因组为检测限，利用qRTPCR 方法可在完全均质的废水中检测出新冠病毒的有效范围是在每144 万到200 万人中有1 人感染［7］。基于纸质设备的方法能实现病原体快速诊断和确定感染传播，同时成本廉价，它克服了PCR 的局限性，并用于多种病原体感染检测［8］。生物传感器具有快速响应、低成本等特点，在检测废水中的药物、生物分子和微生物等领域得到应用。用于污水分析的生物传感器可为新冠疫情的预防、监测和干预提供参考，可以较早地追踪潜在的病毒携带者，降低了大型军用舰船人员受感染的风险，同时可提供实时监测信息。

3.2 开展适合大型军用舰船污水收集方法的研究 有效的采样方法在废水监测中是至关重要的，是准确描述新冠病毒传播的重要基础。目前针对废水监测中废水浓缩方法主要包括超滤、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）沉淀、直接污泥提取和脱脂牛奶絮凝等，主要针对的是非包膜肠道病毒。由于新冠病毒是一种包膜的呼吸道病毒，不同采样地点的废水情况也存在很大差异，在某种环境下可行的方法在其他环境中可能不一定可行。所以，这些方法如何在大型军用舰船上进行优化、标准化以及运用都需要研究加以明确。目前，还缺乏在大型军用舰船所处的环境和温度变化条件下，比如不同季节、不同地区以及废水温度等，新冠病毒在下水道降解损失相关的科学数据。此外，还应开展针对新冠病毒随温度变化的衰减和可检测性，以及降低检测限和提高监测数据精度等方面的研究工作。

3.3 数据参数和模型优化可提高监测预警准确性 目前，核酸聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）检测方法用于新冠肺炎患者的确认。虽然PCR 具有较高的灵敏度和特异性，但是，处理实验室复杂样品需要熟练的人员，数据处理和分析的周期较长。同时，在有效使用这一监测方法时还需要考虑温度效应对监测数据的影响，从而保证能够获得可靠的数据。建立通过病毒数量预测病例的模型是较为复杂的过程，应结合其他来源的数据进行参数的设定和模型的校正及优化，及时准确地监测病毒随时间的分布和流行的空间变化等。同时应将废水监测的数据与大型军用舰船的公共卫生数据相结合，共同为决策服务。由废水中检测出的病毒载量到人群感染状况的评估，需要通过算法建立模型参数，优化模型并利用模拟的数据进行验证，整个过程的每个环节都需要开展相关的研究加以确定。对于大型军用舰船来讲，环境条件、人群规模以及废水处理方式相对稳定，这方面工作的开展有其独特的优势。优化后的模型对于其他舰船具有很大的参考意义。

4 小结

在新冠肺炎大流行中，WBE 的迅速发展表明其未来应用的潜力巨大。WBE 是追踪新冠病毒感染的一种快速、经济且灵敏稳定的方式，可以用来提醒疫情防控相关人员注意特定排水区中存在的感染者。在大型军用舰船上开展相关研究，确定符合实际的技术指标和方案，建立废水流行病学监测系统。该方法不但可监测传染病疫情，还可以用于大型军用舰船舰员健康指标的监测。WBE 有能力为大型军用舰船疫情防控的决策提供信息，对提升卫生保障能力有着重要的作用。