《International Journal of Hygiene and Environmental Health》：A quantitative decision-support framework for assessing the feasibility and sensitivity of wastewater-based epidemiology of respiratory virus surveillance
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本研究采用定量决策支持框架和蒙特卡洛模拟，评估污水中有害物质流行病学（WBE）在监测SARS-CoV-2、RSV、IAV和RhV的可行性及灵敏度，确定可靠检测所需最小感染人数。结果显示SARS-CoV-2全年检出，RSV呈现季节性，而IAV和RhV未检出，主要因低粪便 shedding和RNA降解。模型表明病毒排泄率和回收效率是关键参数，建议结合ddPCR和≥35%回收率以提高检测可靠性，为WBE应用提供数据驱动决策工具。
Sunita Samantarat | Kwanrawee Sirikanchana | Yong Poovorawan | Jatuwat Sangsanont
泰国曼谷朱拉隆功大学理学院环境科学系工业毒理学与风险评估研究生项目
摘要
基于废水的流行病学（WBE）已成为一种成本效益高且无创的传染病监测工具。然而，其在病毒监测中的实际应用仍面临检测灵敏度不确定性的挑战，这取决于病原体特异性和方法学因素。本研究应用定量决策支持框架，前瞻性地评估了WBE的可行性和灵敏度，重点关注使用全年每周的废水数据来估计可靠检测所需的最小感染人数，研究对象包括SARS-CoV-2、呼吸道合胞病毒（RSV）、甲型流感病毒（IAV）和鼻病毒（RhV）。研究发现，SARS-CoV-2全年均可检测到，而RSV具有季节性检测特征；尽管这些病毒在临床中同时存在，但IAV和RhV未能被检测到。为了解释这些观察结果，研究人员采用了包含粪便排毒率、恢复效率和RNA降解的蒙特卡洛模拟框架来评估大规模应用前的检测可行性。模型显示，SARS-CoV-2达到50%的检测阈值（每10万人0.85例）所需的感染人数最少，其次是RSV和RhV；IAV的检测阈值最高（每10万人1177.02例），主要是由于其粪便排毒量较低。敏感性分析表明，病毒排毒率和恢复效率是最具影响力的参数。模拟进一步表明，在城市条件下，结合恢复效率≥35%的滴液数字PCR技术可以可靠地检测到这四种病毒。总体而言，这些发现表明WBE的灵敏度受病原体特异性和方法学性能的共同影响。该框架基于实地观察结果，为WBE监测项目的可行性规划和方法优化提供了透明且数据驱动的方法。
引言
呼吸道病毒是全球重大的公共卫生挑战，每年导致大量发病率、死亡率和经济负担。主要呼吸道病原体如甲型流感病毒（IAV）、呼吸道合胞病毒（RSV）、鼻病毒（RhV）和人类冠状病毒（HCoVs）在季节性高峰期间会导致广泛的社区传播。这些感染增加了住院率，并给医疗系统带来巨大压力，尤其是对幼儿、老年人和免疫功能低下的人群。由于临床症状（如发热、咳嗽、鼻塞和疲劳）的相似性，仅凭临床表现难以准确区分这些病原体（Michiels等人，2011年）。准确诊断需要分子学确认；然而，这类检测的高成本和有限的可及性在许多医疗环境中构成了障碍。在包括泰国在内的许多低收入和中等收入国家，由于预算限制，通常无法常规使用能够检测多种呼吸道病原体的先进分子检测方法（Frigati等人，2025年；Fry等人，2023年；Wanlapakorn等人，2023年）。即使有这些资源，也通常仅用于住院或高风险病例，导致更广泛的社区监测不完整。因此，需要寻找替代的、成本效益高的监测工具来补充临床诊断并扩大人群监测范围。
基于废水的流行病学（WBE）作为一种有前景的补充方法，通过相对较低的成本实现社区范围内的监测（Leifels等人，2022年）。通过检测废水中的病毒RNA（来自粪便、尿液和其他体液），WBE可以捕捉到临床监测无法发现的感染，包括无症状或前驱症状病例（Levy等人，2023年）。虽然WBE在追踪诺如病毒、肠道腺病毒、肠病毒和甲型肝炎病毒等胃肠道病毒方面非常有效（Pellegrinelli等人，2023年；Raya等人，2024年；Ye等人，2016年），但其应用于呼吸道病毒时面临独特的生物学和技术挑战。与通过粪便大量排出的肠道病毒不同，呼吸道病毒通常以较低浓度排出，且个体间差异较大（Bivins等人，2020年；Farkas等人，2020年）。这一限制以及污水系统中的RNA降解和样本处理过程中的恢复效率变化可能会影响检测灵敏度。
尽管如此，多项研究展示了WBE在呼吸道病原体监测中的潜力。例如，Sangsanont等人（2022年）报告称曼谷废水中的SARS-CoV-2 RNA与每日COVID-19病例数之间存在强相关性，具有22-24天的提前预警时间。类似地，Ahmed等人（2023年）也在临床病例报告前12-17天在废水样本中检测到了IAV和RSV。然而，其他研究的结果较为有限。加州的一项为期17个月的研究使用数字滴液RT-PCR（ddPCR）持续在废水样本中检测到SARS-CoV-2，而甲型和RSV的检测频率较低（Boehm等人，2023b）。低恢复效率和不一致的粪便排毒率被认为是主要障碍。其他研究也发现了类似问题，即尽管已知存在社区传播，但呼吸道病毒未被检测到或仅间歇性观察到（D'Aoust等人，2021年；Wolfe等人，2022年）。总体而言，这些结果表明，有效的WBE监测可能取决于特定的流行病学或操作条件，如高感染率或优化的分析方法。尽管取得了这些进展，但仍存在关键的知识空白：目前尚无定量框架指导实践者在大规模应用前评估WBE的可行性。
为了解决这些问题，本研究应用定量决策支持框架，整合实证数据和蒙特卡洛建模，评估四种关键呼吸道病毒（SARS-CoV-2、RSV、IAV和RhV）的WBE可行性和灵敏度。该框架旨在通过估计在定义的方法学和流行病学条件下可靠检测所需的最小感染人数来提前评估检测可行性。通过结合实验恢复估计值、病毒排毒数据和社区流行信息，该框架能够估算检测概率并识别影响系统性能的关键参数。研究结果为确定WBE在实施前的信息价值提供了实际依据，有助于监测规划和资源分配，其应用范围可能超出COVID-19领域。
废水样本来源
2024年1月至8月，每周收集一次未经处理的废水样本；2024年9月至12月，采样频率增加到每周两次。研究期间共收集了276份未经处理的废水样本。其中，所有276份样本均进行了SARS-CoV-2分析，而IAV、RSV和RhV分别在20份、196份和80份样本中进行了分析。这些样本来自曼谷的四个污水处理厂（WWTPs）。
废水中呼吸道病毒的时间检测
通过废水监测系统地评估了呼吸道病毒的传播情况，不同病毒之间存在明显的检测模式（图1）。在收集的276份废水中，234份样本（84.8%）检测到了SARS-CoV-2，表明该病毒在社区中全年持续存在。相比之下，RSV在196份样本中的94份（48.0%）被检测到，尤其在7月至11月期间表现出明显的季节性特征。
结论
本研究展示了WBE作为城市环境中呼吸道病毒监测的定量工具的潜力，特别是对于那些粪便排毒量中等至较高的病原体。通过将实证废水数据与蒙特卡洛模拟框架相结合，估算了特定病原体的检测阈值，强调了恢复效率和分析灵敏度对WBE性能的关键影响。SARS-CoV-2被持续检测到。
作者贡献声明
Sunita Samantarat：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法学设计、数据分析、数据整理。
Kwanrawee Sirikanchana：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法学设计、数据分析。
Yong Poovorawan：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法学设计。
Jatuwat Sangsanont：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件开发、资源协调、项目管理工作、方法学设计。
致谢
本研究得到了泰国科学研究与创新基金（TSRI Fund - Thailand）（HEA_FF_69_235_2300_053）、朱拉隆功大学成立90周年奖学金（Ratchadapisek Somphot Endowment Fund）、Kurita亚洲研究基金（Kurita Water and Environment Foundation - Japan，项目编号24Pth030）以及朱拉隆功大学理学院环境科学系工业毒理学与风险评估硕士项目的论文资助。
