《Environmental Advances》：Assessment of different subsampling intervals with time-based composite sampling for decentralized wastewater monitoring programs
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本研究针对分散式废水监测中污染物浓度波动大、采样方法缺乏优化指导的问题，系统评估了不同子采样间隔（15分钟至6小时）对时间复合样本中病毒（SARS-CoV-2和PMMoV）浓度测量变异性的影响。结果表明，在服务约1000人的分散式系统中，将子采样间隔从15分钟延长至1-3小时，不会显著增加测量变异性，且可大幅降低设备磨损与能耗。此发现为优化废水监测（尤其针对病原体如SARS-CoV-2）的采样策略提供了关键依据，对提升监测效率、降低成本及推动公共卫生预警具有重要意义。
在全球冠状病毒（COVID-19）大流行期间，废水采样成为监测局部人群中严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）流行趋势的重要工具。然而，在分散式系统（如小型社区、独立建筑、化粪池系统）中进行废水监测面临独特挑战：流量和污染物浓度在一天内波动剧烈，导致样本浓度变异度高。虽然专家推荐使用流量比例复合采样，但所需设备（自动采样器和流量计）在分散式地点往往不可得。因此，抓取样本和基于时间的复合样本更常被使用。尽管有研究比较抓取样本与复合样本，但关于时间复合样本中子采样间隔（即采集离散等分样本的时间间隔）对污染物负荷估算不确定性的影响，学界认知仍然有限。优化子采样间隔具有重要的现实意义：更频繁的采样会增加自动采样器泵管磨损、堵塞风险和能耗，尤其在依赖太阳能电池供电的地点，可能导致采样失败。为此，研究人员开展了一项研究，旨在评估子采样间隔对分散式生活污水监测中微生物负荷观测变异性的影响。
这项研究发表于《Environmental Advances》，通过在大学校园宿舍楼的污水井中部署自动采样器，收集了超过9个月的24小时时间复合样本。研究关键是比较了不同子采样间隔（15分钟、60分钟、180分钟、360分钟）以及抓取样本，对病毒浓度测量结果变异性和偏差的影响。
研究人员主要运用了现场并行自动采样技术、病毒浓缩与核酸提取技术（包括吸附萃取法和磁性亲和捕获颗粒法，如Nanotrap）、实时定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）用于病毒（SARS-CoV-2的N1、N2基因靶标和PMMoV）浓度定量、以及统计分析方法（如方差分析、置信区间计算）来评估不同采样策略下的浓度差异和变异性。样本来源于大学校园内8个宿舍楼的污水井或清扫口。
3.1. 不同子采样间隔下复合样本浓度的变异性
通过比较两台从同一污水井采样的自动采样器（AS1固定为15分钟间隔，AS2为不同间隔），研究发现：
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对于粪便指示病毒PMMoV，当AS2的子采样间隔为15分钟（技术重复）、60分钟和180分钟时，其Cq值与AS1的Cq值之间的平均绝对百分比差异很小（分别为3.6%、4.4%、4.2%），且四分位距相近，表明变异性未显著增加。SARS-CoV-2数据量较少，但趋势类似。
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当AS2间隔增至360分钟（24小时4个等分）时，PMMoV和SARS-CoV-2的Cq值差异平均值和变异性均显著增加（PMMoV平均差异6.4%）。
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抓取样本与15分钟复合样本相比，Cq值差异更大（PMMoV平均差异7.4%），变异性与360分钟间隔组相似。
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结论：在约1000人的规模下，将子采样间隔从15分钟延长至60分钟甚至180分钟，对PMMoV和SARS-CoV-2浓度测量的精密度影响不大。间隔超过180分钟或使用抓取样本会引入更大变异性。Cq值差异转换为浓度差异约为0.2-0.6 log10（抓取样本相较15分钟复合样本）。
3.2. 评估不同子采样间隔下病毒浓度的偏差
研究还评估了不同采样策略是否存在系统性高估或低估：
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对于PMMoV，除15分钟技术重复组外，其他间隔下AS1（15分钟）的Cq值普遍高于AS2（即AS1测得的浓度较低），但仅在360分钟间隔组中，这种差异具有统计学显著性（p=0.005），且AS1浓度低于AS2的样本比例（12%）显著偏离50%（p=0.002）。
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对于SARS-CoV-2，在360分钟间隔组中观察到相反方向的偏差（AS2浓度较低），但不显著。
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总体而言，未发现强烈的方向性偏差，但长间隔（360分钟）可能引入偏差。
3.3. Cq值与确诊病例的关联
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时间序列显示，春季学期当确诊病例数较高时，废水中SARS-CoV-2的Cq值（反映病毒浓度）倾向于较低，但Pearson相关性不显著。
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基于废水检测结果与建筑内确诊病例的混淆矩阵计算预测指标：阳性预测值（75%）和特异性（84%）较高，但阴性预测值（56%）和灵敏度（42%）较低，与其他分散式监测研究结果相比各有高低。低灵敏度/阴性预测值部分归因于133个样本中废水未检出病毒但存在确诊病例。
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排除抓取样本和间隔大于180分钟的复合样本数据，并未显著改变预测指标。
本研究评估了24小时时间复合采样中子采样间隔的选择对分散式规模（约400-1000居民）生活污水中病原体和粪便微生物浓度测量的影响。研究发现，子采样间隔为60至180分钟时，其性能与15分钟间隔相当，测量差异仅略高于RT-qPCR技术重复本身的变异性，且未发现有意义偏差。而当间隔延长至360分钟或使用抓取样本时，Cq值差异增大，变异性增加，对于PMMoV在360分钟间隔还存在显著的低估偏差。
减少子采样间隔（如从15分钟降至60或180分钟）具有显著的运营效益：设备磨损、堵塞风险和功耗可降低数倍，尤其有利于无市电连接、依赖电池/太阳能的地点提高采样可靠性。总之，当流量比例复合采样不可行时，采用子采样间隔为1至3小时的24小时时间复合采样策略，可能产生与15分钟间隔相似的效果。这些发现对管理分散式采样点的废水监测项目具有重要指导意义，有助于提高监测效率、能源利用、环境影响以及降低设备维护成本。
