污水中的生物膜以及沉积物产生的悬浮固体会加速病毒基因组信号的衰减，这对基于废水的流行病学研究具有重要的影响

《Water Research》：In-sewer biofilm and sediment-derived suspended solids accelerate virus genome-signal decay and implications for wastewater-based epidemiology

本研究系统评估了不同温度下污水、生物膜及沉淀悬浮固体中三种病毒（PEDV、Phi6、T7）的基因组信号衰减动力学，发现生物膜和沉淀悬浮固体显著加速衰减，并提出整合温度效应的综合衰减模型（T-CMD），为减少WBE模型偏差提供理论依据。

　　

杨少林|左志强|李思琪|马明路|刘彦辰|黄夏

清华大学环境学院区域环境与可持续性国家重点实验室，北京10084，中国

摘要

基于废水的流行病学模型依赖于可靠的污水中病毒基因组信号衰减参数，然而现有的大多数衰减估计值都是从整体废水中得出的，忽略了来自污水基础设施的悬浮固体的作用。在这里，我们量化了包膜病毒（猪流行性腹泻病毒，PEDV）、包膜噬菌体（Phi6）和非包膜噬菌体（T7）在来自污水生物膜（BF-SS）和沉积物（SD-SS）的悬浮固体中的衰减情况，并将它们与原始废水（WW）在4至35°C的温度范围内的衰减情况进行了比较。在测试的固体条件和控制的基质制备下，生物膜和沉积物来源的悬浮固体显著加速了病毒基因组信号的衰减，分别贡献了总衰减的34.32–44.15%和27.98–41.75%。温度的升高使所有基质中的衰减速率增加了约2–3倍。通过整合这些动力学数据，我们开发了一个温度依赖的综合性衰减模型（T-CMD），该模型同时考虑了废水、生物膜来源和沉积物来源的悬浮固体中的病毒基因组信号衰减。与仅考虑废水的模型相比，T-CMD的温度敏感性提高了2.2–3.0倍，这表明忽略悬浮固体会导致对污水中病毒基因组信号损失的系统性低估。这些发现确定了生物膜和沉积物来源的悬浮固体是污水中病毒基因组信号衰减的主要驱动因素，并为改进污水过程模型和提高基于废水的流行病学在公共卫生监测中的准确性提供了机制框架。

引言

基于废水的流行病学（WBE）已成为人群水平传染病的实用监测工具，这一点在COVID-19大流行期间得到了证明（Bivins等人，2020；Dong等人，2023；Medema等人，2020；Peccia等人，2020）。在大多数应用中，WBE依赖于从废水中测量的病毒浓度推断感染率的机制模型（Ahmed等人，2020a；Li等人，2021b）。这些模型通常结合了水力传输、分配和污水中的衰减过程来反计算社区感染水平（Hart等人，2020；Kaplan等人，2021）。在这些过程中，原位病毒基因组信号的衰减是不确定性的一个关键来源，直接影响模型的性能（Medema等人，2020）。这里的“衰减”指的是通过RT-qPCR测量的可检测病毒基因拷贝数量的减少。当前模型中使用的衰减参数主要来自简化实验室实验，这些实验将废水视为单一的、均匀的基质，因此没有捕捉到实际污水系统的复杂性，其中来自生物膜和沉积物的悬浮固体（SS）无处不在。这些固体具有不同的物理化学性质，并且含有活跃的微生物群落，可以显著影响病毒的持久性。忽略它们的贡献可能导致对污水中病毒载量的高估以及社区规模感染率的低估（Li等人，2021a；Wu等人，2020）。因此，量化富含固体的、与环境相关的基质中的衰减动力学对于减少WBE的不确定性并提高其在公共卫生决策中的价值至关重要（Bivins等人，2020；Li等人，2021a）。

温度和病毒结构被广泛认为是废水中病毒基因组信号衰减的主要决定因素（Ahmed等人，2020b；Bertrand等人，2012；Guo等人，2023；Naddeo等人，2020；Pinon等人，2019）。温度的升高通常通过增强微生物活性和加快生化降解来加速衰减。从结构上看，非包膜病毒（例如诺如病毒、腺病毒）由于其坚固的蛋白质外壳而通常具有较高的环境稳定性，而包膜病毒（例如SARS-CoV-2、流感病毒）则更容易受到表面活性剂、酶和其他压力因素的影响（Gundy等人，2009；La Rosa等人，2020b；Pinon等人，2019；Silverman等人，2020；Wigginton等人，2012；Ye等人，2016）。然而，大多数基于机制的WBE模型中使用的一阶衰减系数（k）几乎完全来自在整体废水中进行的简化研究（Kitajima等人，2018）。这是一个关键的限制，因为实际的污水网络不仅包含来自进水的SS，还包含来自污水生物膜和沉积物的SS。这些颗粒相创造了微生物密度高且有机含量高的微环境，可以显著改变病毒的命运（Ashley等人，1992；Flemming等人，2016；Purnell等人，2015；Sutherland等人，2001）。嵌入细胞外聚合物物质（EPS）中的生物膜来源的SS可以通过强烈的酶活性和吸附相互作用促进衰减（Flemming等人，2016；Sutherland等人，2001）。富含有机物和微生物多样性的沉积物来源的SS可能既作为病毒的临时储存库，又作为病毒基因组信号衰减的反应区（Ashley等人，1992；Purnell等人，2015）。因此，与仅考虑废水相比，这些固体相关的复杂表面和活跃的微生物群落预计会增强衰减（Wingender等人，2011）。忽略生物膜和沉积物来源的SS可能会导致污水模型中衰减率的系统性低估，并在基于WBE的解释中引入偏差（Kitajima等人，2018）。

因此，用于推导衰减参数的简化条件与污水系统中富含固体的实际情况之间存在明显差距。弥合这一差距需要定量评估温度、病毒类型和不同污水基质中的SS如何共同控制衰减动力学（Casanova等人，2015；Hart等人，2020；La Rosa等人，2020a）。将基质特定的相互作用纳入衰减模型是必要的，以便更真实地表示污水中的过程，并开发出稳健、可转移的WBE框架（Casanova等人，2015；Hart等人，2020）。明确考虑污水来源的SS预计可以减少估计偏差，提高感染率的预测准确性，并增强基于废水的公共卫生监测的操作可靠性（Hart等人，2020；La Rosa等人，2020a；Randazzo等人，2020）。

在这项研究中，我们系统地量化了三种污水基质中代表性病毒（包膜病毒PEDV、Phi6和非包膜病毒T7）在4-35°C温度范围内的衰减动力学：原始废水（WW）、生物膜来源的悬浮固体（BF-SS）和沉积物来源的悬浮固体（SD-SS）。实验设计旨在解决基质类型、病毒结构和温度对衰减行为的综合影响。基于基质特定的速率系数，我们提出了一个温度依赖的综合性衰减模型（T-CMD），该模型明确考虑了废水、生物膜来源和沉积物来源的SS的贡献。T-CMD提供了考虑基质的温度系数和适用于机制WBE应用的模型参数，使得可以直接在污水过程模型中实现SS效应。通过这样做，该框架旨在减少感染率反计算的偏差，并支持更可靠的基于废水的公共卫生监测。

章节摘录

病毒与传播

选择了三种具有不同结构类型的代表性病毒：一种包膜动物冠状病毒——猪流行性腹泻病毒（PEDV，CV777疫苗株），一种包膜噬菌体Phi6（DSM 21518），以及一种非包膜噬菌体T7（ATCC BAA-1025-B2）。关键病毒特征总结在表S1中。

PEDV疫苗株是从哈尔滨兽医研究所（CAAS，哈尔滨，中国）以冻干粉末的形式获得的（Yang等人，2024），并重新配制后使用

在BF-SS和SD-SS中病毒衰减的增强

对于所有三种病毒（PEDV、Phi6和T7），在所有实验条件下，浓度-时间曲线都可以用一阶动力学很好地描述（R² > 0.75）。与原始废水（WW）相比，生物膜来源的悬浮固体（BF-SS）和沉积物来源的悬浮固体（SD-SS）均一致地增加了衰减速率。

在35°C时（图2A），BF-SS和SD-SS中的一阶衰减常数（k）分别为0.768 ± 0.057 day^-1和0.721 ± 0.040 day^-1

讨论

本研究提供了对来自污水生物膜和沉积物的悬浮固体（SS）中病毒基因组信号衰减的定量评估，并证明这些相与仅使用废水相比显著增强了污水中的病毒基因组信号损失。在三种结构不同的病毒（PEDV、Phi6和T7）、三种温度（4、20和35°C）以及三种基质（WW、BF-SS和SD-SS）中，一阶衰减常数范围为0.034至1.089 day^-1

结论

本研究表明，来自污水生物膜和沉积物的悬浮固体是污水中病毒基因组信号衰减的主要驱动因素，在基于废水的流行病学（WBE）模型中不能忽略它们。在三种病毒、三种温度和三种基质中，生物膜和沉积物来源的悬浮固体（BF-SS和SD-SS）分别贡献了总衰减增强的34.32–44.15%和27.98–41.75%。这些百分比是基于

CRediT作者贡献声明

杨少林：概念化、监督、项目管理、资金获取、验证、写作——审稿与编辑。左志强：正式分析、验证、写作。李思琪：资源提供、调查。马明路：数据管理、写作。刘彦辰：概念化、监督、项目管理、资金获取、验证、写作——审稿与编辑。黄夏：概念化、监督、项目管理、资金获取。

CRediT作者贡献声明

杨少林：写作——初稿、可视化、调查、正式分析、数据管理。左志强：写作——初稿、验证、正式分析。李思琪：资源提供、调查。马明路：写作——初稿、数据管理。刘彦辰：验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。黄夏：监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明本手稿中不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52425002、52270091）的支持。