2020 年底，由于北半球的寒冷天气和节日聚会在没有疫苗的情况下刺激了 SARS-CoV-2 的快速传播，COVID-19 的全球死亡人数正在上升。科学家和公共卫生官员迫切希望找到追踪病毒的新方法，这种病毒的传播速度往往快于接触者追踪者追踪的速度。

香港大学（HKU）的环境工程师和微生物学家张彤（Tong Zhang）和他的同事们是迅速成为一种流行监测方法的先驱。在香港政府的支持下，他们一直在从该市大约二十几个维修孔中定期收集废水样本，并测试污水中的冠状病毒DNA。12月下旬，他们将疫情追溯到一栋没有病例迹象的公寓楼1.

政府迅速采取行动。官员们对大楼的2000多名居民进行了检测;9 人检测呈阳性。“这些人被隔离并去了隔离点。所以他们停止了传输链，“张说。在那次成功之后，他和他的同事们扩大了他们的努力。

时至今日，废水检测仍是香港COVID-19策略的一部分。他说，张的团队每周在全市约20个地点进行冠状病毒检测，该团队已将对这些样本的分析扩大到其他病原体，包括流感、轮状病毒、诺如病毒和猴痘，以及抗菌素耐药性的标志物。他认为废水检测是一种衡量整个社区健康状况的一种方式。“如果我们能使方法更加标准化”，这个工具就成为一种“有前途和令人兴奋”的方式来筛查世界的病原体，包括那些科学家尚未确定的病原体，他说。

许多研究人员都在遵循类似的方法。目前，全球有 4,600 多个地点正在收集废水用于 SARS-CoV-2 检测，一些参与的研究团队正在调查其他潜在应用，例如跟踪非法药物使用甚至癌症的患病率。

但是，这是否有可能成为一项有效的公共卫生战略，仍然是一个有争议的问题。张在港大公共卫生学院的同事Leo Poon表示，在卫生机构扩大污水检测计划并将这种监测纳入其日常预算之前，应该进行更多的研究。“还有很多未知数，”他说，特别是在检测SARS-CoV-2以外的病原体方面。“我认为目前有一个陡峭的学习曲线：当我们检测到某些东西时，这意味着什么？”

早期成就

许多通过废水追踪COVID-19的项目都是以类似的方式开始的。科学家们在大流行初期了解到，SARS-CoV-2可以在污水中被发现2，并与当地水务部门和卫生机构取得联系以获取样本。

到 2020 年底，多项研究表明，公共供水系统中的冠状病毒水平可能与社区中的 COVID-19 病例数量相关。例如，加利福尼亚州斯坦福大学的研究人员发现，废水中的病毒水平随着旧金山湾区的病例而上升和下降3.领导这项工作的小组继续创立了WastewaterSCAN项目，该项目测试了来自美国近200个地点的样本（参见“峰值传播”）。

科学家说，在最成功的废水项目中，研究人员直接与公共卫生官员合作，他们使用这些数据为COVID-19安全政策提供信息。这种情况发生在加纳的农村地区，与香港一样，废水检测发现了其他类型的监测未发现的 COVID-19 病例。佐治亚州亚特兰大埃默里大学全球安全饮水、环境卫生和个人卫生中心的公共卫生研究员哈比卜·雅库布（Habib Yakubu）与加纳科学家团队合作，开发了应对该国有限的公共下水道和实验室设备的测试方法。他们在Nanumba North和Mion两个农村地区进行了尝试，政府官员怀疑COVID-19可能正在传播，但临床试验尚未发现任何病例。

研究人员与社区领袖合作，确定采样地点，包括学校、医疗机构、市场和用于洗衣服的溪流。“我们看了看，人们在哪里汇聚？”雅库布说。研究人员发现，事实上，COVID-19存在于这些地区。因此，官员们加强了公共卫生活动，包括社区教育和疫苗接种工作。该团队测试了加纳常见的其他疾病，包括霍乱和伤寒，这也为卫生行动提供了信息。

对于印度班加罗尔塔塔遗传学与社会研究所的科学家来说，在2021年初该国SARS-CoV-2的Delta变体的毁灭性浪潮之后，对COVID-19进行废水检测的必要性变得很明显，塔塔的进化生态学家Farah Ishtiaq说，他领导了该市的COVID-19监测计划。她和她的同事与官员合作，在班加罗尔的28家水处理厂进行了测试，这是一项具有挑战性的后勤任务，因为该团队必须手动收集样本，而不是使用高收入国家常见的自动采样器。

伊什蒂亚克说，在第二年奥密克戎变种在班加罗尔的传播期间，这项测试证明了它的价值。废水数据表明，在卫生保健系统数据有限的情况下，奥密克戎变异株正在全市广泛传播。她说，官员们的回应是延长口罩令，并限制大型集会。

根据加州大学默塞德分校环境工程师 Colleen Naughton 及其同事维护的 COVIDPoops19 仪表板，受此类案例研究的启发，该领域在过去 4 年中急剧增长，目前有数百个研究团队在 72 个国家/地区进行测试（参见“覆盖率不均”）。

便便的信息解析

在 2023 年 12 月和 2024 年 1 月，很明显 COVID-19 在世界多个地区广泛传播。但公共卫生机构已经严重削减了传统的检测和监测计划，导致冠状病毒传播程度的不确定性，以及突然将注意力集中在基于废水的流行病学上。

一些科学家和社交媒体评论员表示，废水中的SARS-CoV-2水平与具体病例数相关，估计美国和欧洲的病例数激增。但其他人警告说，废水监测不够可靠，无法预测真正的感染人数。马萨诸塞州波士顿东北大学的流行病学家萨姆·斯卡皮诺（Sam Scarpino）说，这种估计有一种“错误的精确感”，他曾研究过COVID-19数据系统。

由于污水数据与传统的健康指标有很大不同，因此很难进行估计。在典型的监测中，数据代表了可以通过接触者追踪、隔离和治疗来识别、隔离和治疗的个体感染者。在废水监测操作中，数据可以代表整个社区。

他们让“一升代表一百万人”，加拿大渥太华大学的公共卫生医生道格拉斯·曼努埃尔（Douglas Manuel）说。曼努埃尔和他的同事们已经确定了几个可以改变这种筛查结果的变量;这些因素包括种群密度、降水量、样品组成、处理和测试方法以及质量控制措施4.例如，当渥太华春天的雪融化时，它会流入废水系统并“冲走”可能积聚在管道中的固体废物，曼努埃尔说。这可能会干扰与 SARS-CoV-2 测量相关的结果。

为了解释这些变量，研究人员倾向于比较一个地点随时间推移的测量结果。例如，美国疾病控制与预防中心 （CDC） 开发了一种称为废水病毒活性水平的指标，该指标将测试站点最近的 SARS-CoV-2 测量值与过去的测量值进行比较，然后在更大区域内对这些比较值进行平均。

这些比较指标有助于向公众展示废水结果，但它们掩盖了数据的复杂性。伊斯坦布尔马尔马拉大学（Marmara University）的环境工程师、土耳其废水检测项目协调员比尔格·科卡梅米（Bilge Kocamemi）说，她很快意识到，“数据的科学表示使数据无法为公众使用”。相反，她和她的同事开发了一张相对简单的 COVID-19 地图：根据 SARS-CoV-2 水平的程度，测试地点以不同深浅的黄色和绿色显示。Kocamemi说，这种彩色尺度并不精确，但对于没有科学背景的人来说很容易理解。

改进分析准确性

从事这一挑战的科学家说，根据废水中的病毒水平对病例数（或COVID-19在社区中传播的其他指标，例如将住院的人数）进行建模是困难的，但并非不可能。这种模式将使卫生官员更容易根据污水数据做出政策决定。

CDC在华盛顿特区的预测和疫情分析中心于2022年成立，是应对这一挑战的一个团体。该中心主任迪伦·乔治（Dylan George）说，废水数据是COVID-19给医院带来负担的“一个非常好的领先指标”。今年2月，George和他的同事们发布了新的医院预测模型，该模型基于废水数据以及其他指标（见 go.nature.com/43xumbz）。研究表明，当这些模型将废水数据与来自医疗保健系统的数据结合使用时，它们会更准确，而不仅仅是其中一个来源5.

乔治警告说，需要进行持续的研究，以更好地了解废水中的病毒水平与社区中的疾病水平之间的联系。例如，一些科学家认为，随着SARS-CoV-2的继续变异，病毒水平可能会发生变化;乔治说，一种被称为JN.1的变种可能会导致人们排出更多的病毒颗粒，或者与以前的变种相比，它们脱落的时间更长。“我认为这将是一个积极的研究领域。

建模者希望获得更详细的临床测试数据，以便他们能够更好地比较废水结果和社区感染。波士顿Ginkgo Bioworks的科学家Casandra Philipson说，对于测试废水中其他病毒的研究人员来说，挑战往往更大，该公司分析飞机和机场的污水，同时对新的生物安全工具进行研究。菲利普森说，COVID-19、流感和呼吸道合胞病毒的临床数据不错。但是，她补充说，“当你脱离这三种病原体时，确实存在巨大的数据稀缺问题。

在污水中还可以测试什么？

一些科学家对出现在人们排泄物中的一系列其他疾病和健康指标感兴趣。

印度的人工废水采样。

在布鲁塞尔欧盟委员会联合研究中心协调废水工作的Bernd Manfred Gawlik称废水是“城市的肮脏血液”，并将污水采样与血液检测进行了比较。他说，“我们现在才刚刚开始了解”如何在集体层面上诊断这种“血液”。

一个常见的测试目标是抗菌素耐药性 （AMR），这是大流行之前的一个废水研究领域。班加罗尔的伊什蒂亚克说，“抗微生物药物耐药性在世界这个地区是一个巨大的问题”，因为许多人使用不受管制的抗生素。她的研究已从 COVID-19 测试扩展到一个多方面的基因组平台，可以寻找病毒和细菌感染。她说，废水数据将帮助研究人员了解哪些病原体正在驱动感染，并将这些信息传达给医生。

突尼斯巴斯德研究所（Pasteur Institute）的分子生物学家和生物信息学家法特玛·格尔法利（Fatma Guerfali）也在追踪突尼斯的抗微生物药物耐药性，突尼斯被认为是风险最大的国家之一。Guerfali说，她和她的同事们正在与该国的卫生机构以及其他非洲国家的研究合作者合作，以确定如何最好地扩大该计划，该计划从COVID-19测试开始。

除了抗微生物药物耐药性和流感等全球目标外，废水检测的重点还因当地卫生挑战而异。由于这种测试可以检测出多种病原体，因此科学家经常咨询卫生机构，以确定优先考虑哪些目标。例如，在肯塔基州路易斯维尔，路易斯维尔大学健康空气、水和土壤中心主任泰德·史密斯（Ted Smith）和他的同事们正在测试一个“泛病毒组小组”，其中包括当地卫生机构感兴趣的约30种病原体。他说，去年，在该州爆发麻疹疫情期间，该测试发现了麻疹，卫生官员利用这些数据为疫苗接种计划、医生警报和其他卫生工作提供了信息。

另一个扩展领域在于测试人们排泄到废水中的化学物质。一些研究人员，例如马萨诸塞州剑桥市初创公司Biobot Analytics的研究人员，正在筛选阿片类药物和其他有滥用风险的药物。史密斯和他的同事们正在测试污水中是否有表明暴露于空气污染的化合物，他们已经开始研究铅含量。“每天，我们都会想出可以询问废水的新东西，”他说。

一些研究人员甚至将人类传播的疾病扩展到动物传播的疾病。2022 年，科学家发表了将纽约市废水中的新 SARS-CoV-2 变体与该市老鼠联系起来的研究6.伊什蒂亚克正在班加罗尔研究禽流感，肯尼亚国际畜牧研究所的科学家埃克塔·帕特尔（Ekta Patel）正在那里研究动物疾病。

帕特尔和她的同事们正在屠宰场对污水进行采样，并检测66种病原体，包括炭疽、布鲁氏菌病和裂谷热。为了补充废水测试，帕特尔希望她的团队能够从兽医诊所和社区医院收集数据。

一些废水科学家反思说，如果有一个强大的全球污水监测系统，COVID-19大流行的早期可能会有多么不同。斯卡皮诺说，一旦病毒序列发布，研究人员就可以“立即对地球上的废水进行追溯性筛查”。这种筛查可能导致SARS-CoV-2已经传播的全球地点清单，甚至在临床试验广泛可用之前就为遏制该病毒的策略提供信息。

斯卡皮诺认为，这样的系统将需要大量的财政投资，国家和科学领导者可以拥有这些项目和标准，使废水数据在各国之间更具可比性7.

在纽约市洛克菲勒基金会从事废水监测工作的梅根·戴蒙德（Megan Diamond）说，目前的COVID-19测试社区“是出于需求和混乱”。戴蒙德说，世界卫生组织、欧盟和非洲疾病控制和预防中心等全球和区域机构可能需要加强为检测、数据共享和标准提供指导。

Gawlik参与了这样一项广泛的工作：全球公共卫生废水和环境监测联盟（GLOWACON），该联盟于3月在布鲁塞尔启动。通过招募来自世界各地的300多名合作者，包括科学家、政府官员和国际组织的代表，他希望推进从世界各地城市的“肮脏血液”中诊断健康问题的新方法。