Showing posts with label 環境監測. Show all posts
Showing posts with label 環境監測. Show all posts

2023-04-01

利用「廢水」監測病毒、細菌！廢水流行病學

English Title: Use "wastewater" to monitor viruses and bacteria! Wastewater Epidemiology 

 科學月刊 . No. 640. pp.64-67, 2023-04-01

URL: https://www.scimonth.com.tw/archives/6366

Posted by at
Labels: , , , , , , ,

2023-03-31

廢水中病毒細菌的嘀咕(初稿)

美國下水道冠狀病毒警報網（The Sewer Coronavirus Alert Network, SCAN）團隊領導人之一Marlene Wolfe教授接受英國醫學雜誌訪問時談到 [1] :「…從全國各地社區採集不到一克的廢水固體樣本：在某些情況下，這個小樣本可代表多達400萬人。」，嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒II（新冠病毒，SARS-CoV-2）的嘀咕聲在不到一克廢水樣本中，很大聲。2022年末此刻，全球至少70個國家、超過3800監測站正在細看風中聆聽水中SARS-CoV-2的嘀咕聲 [2]。 

廢水科學術語的歷史

檢測廢水起源可追溯到1854年倫敦蘇荷區的寬街霍亂爆發事件。當時在一座有多人霍亂死亡的房屋附近公井和污水池，發現糞便洩漏細菌並汙染到泵的供水系統而引發流行病。1950年代中期「廢水追蹤或跟蹤(Wastewater Tracing or Tracking)」自南非大壩蝸牛血吸蟲感染的廢水相關研究後陸續出現，至1970前後「廢水偵測(wastewater monitoring)」與「廢水監測(wastewater surveillance, WWS) 」或「基於廢水的監測(Wastewater-Based Surveillance, WBS) 」常見於工業廢水檢測研究中。到了2000年代研究追蹤海洛因和其他非法藥物等議題出現了「污水流行病學(sewage epidemiology)」和「基於廢水的流行病學(wastewater-basedepidemiology, WBE)」(中文經常簡稱廢水流行病學)學科用語的混用，主要描述以廢水中穩定人類排泄的物質，可用於計算初始濃度為前提的科學領域。

但至2014年「廢水流行病學」漸漸取代「污水流行病學」一詞，雖然汙水和廢水二詞仍常見互用，但世界衛生組織(WHO)近期官方文件主要使用「廢水監測」一詞，學者亦建議標準化相關科學技術，支持使用「廢水監測(WWS)」和「廢水流行病學(WBE)」作為共通用詞。若檢視定義的差別，我們可自公共衛生視角區分(圖一附表): 廢水追蹤或跟蹤，主要是為識別病原體或毒物來源; 廢水偵測是為確保廢水排放不會造成公共衛生風險的行動; 廢水監測則強調系統地、持續測試廢水以造福公眾健康可能與公共衛生政策相關; 廢水流行病學(WBE)即是將廢水中發現的病原體和化學物質與人口健康聯繫起來的科學領域[3][4][5][6]。

COVID-19前廢水研究了哪些傳染性人類病原體? 

歷來廢水監測(WWS)用於評估引起腹瀉相關疾病的水傳播和糞口傳播病原體，研究較為成熟的人類傳染病病原體包括微小核糖核酸病毒科、杯狀病毒科和呼腸孤病毒科等(圖二以*表示)。國際關注流行病如冠狀病毒、伊波拉病毒、茲卡熱以及已提供公共衛生行動或政策資訊的小兒麻痺/脊髓灰白質炎病毒(圖二以***表示)為代表，但文獻中罕見流感和愛滋病毒在WWS中出現[7]。

圖二: 新冠大流行前已知的傳染病廢水監測(WWS) : 病毒以科/屬分類

若專以冠狀病毒為對象，早期的冠狀病毒廢水檢測鑒於具有高流行潛力的新病毒出現，通常涉及動物、人類和環境的複雜動態影響，因此環境監測自1970年代起，透過監測地表水、廢水、泥漿和生物固體中的冠狀病毒來了解這類病毒在水迴圈中的狀態，其種類包括人類冠狀病毒（HCoV）、人類冠狀病毒229E (CoV-229E)、HKU1和嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒（SARS-CoV）;人畜共患的β冠狀病毒如中東呼吸症候群冠狀病毒（MERS-CoV）以及動物冠狀病毒：如牛冠狀病毒(BCoV)、小鼠肝炎病毒 (MHV)等，此階段著重冠狀病毒在廢水中的生存狀態與病毒回收效率等，但整體知識仍非常稀缺和零碎[8]。

COVID-19大流行後

圖三: 新冠大流行後廢水監測(WWS)概況
新冠疫情見證了全球廢水監測(WWS)的廣泛調整，以及廢水也能成為呼吸道傳播病原體監測的有效潛在應用。透過廢水檢測SARS-CoV-2和新變種的技術變得越來越成熟。圖三總體說明目前WWS除早期發展的化學物如藥物、清潔劑、工業污染物或病原體中抗生素抗藥性細菌等以及圖二描述的人類傳染病病原體。COVID-19後，新增監測SARS-CoV-2外，近期猴痘病毒與流感RSV病毒成為國際關注的突發公共衛生事件，此類病原體亦成為WWS關注的對象，尤其是當多數人未能接受RSV臨床檢測，廢水資料即填補了傳統監測的空白[9]。

與此同時，廢水基因組監測技術的新進展，解決了廢水中多種病毒株問題，如圖三中根據WHO分類新冠病毒變種病毒株，能在廢水樣本中提前 14 天發現新變種，並確定臨床監測未能捕獲的病毒傳播實例，這對高風險人群如學生宿舍，機場、醫院、養老院等長期護理設施，除提供早期揭示預警外，亦能輔助遏制和緩解病毒的爆發，長期而言WWS更是追蹤病毒譜系動態綜合優勢的重要工具[10]。

進一步就廢水流行病學(WBE)角度分析，在資源豐富的國家主要在下水道和污水系統進行評估，但在資源匱乏的環境中，大部分居民沒有連接到廢水集中處理廠，使用坑式廁所、化糞池或露天排便，因此根據廢水系統的差異，WWS過程亦有所不同。總體而言如圖四所示，包括採樣、採樣方法、病毒濃度濃縮技術、控制過程使用對照病毒、病毒分離、RNA提取、病毒檢測和定量測序，最後完成流行病學建模分析流行趨勢。不過WBE目前仍面臨許多挑戰，包括在採樣控制方面中: 水流日常變化、廢水系統差異、天氣因素、溫度、沉澱率、以及病毒脫落等因素。在病毒復原和濃縮方面: 濃縮方法效率、核糖核酸(RNA)萃取和純化效率、以及RNA的儲存等。病毒檢測和/或定量方面: RNA品質、RNA數量、PCR抑製劑、以及資料正歸化等這些挑戰均會影響新冠廢水監測面臨回收率低和處理時間長等缺點[11]。

圖四: 新冠廢水流行病學(WBE)分析過程


WWS是用於補充而不是取代基於個人診斷測試的環境監測

與臨床診斷測試相比，SARS-CoV-2廢水監測的不同處在於社區規模採樣計劃的設計和解釋，以及從廢水和環境水樣中濃縮和提取RNA所嘗試不同的檢測方法。由於病毒RNA可在症狀出現和診斷測試前排放到廢水中，在新冠高流行情況下，SARS-CoV-2廢水監測有助於記錄趨勢，而在低流行情況或缺乏臨床測試證據情況下，則可提供早期預警，同時廢水病毒載量可用於監測公共衛生社會措施的影響，包括增加或放寬限制，以及加強風險溝通，警告社區有關病毒（重新）出現，並建議社區有關檢測、檢疫、隔離、疫苗接種和尋求醫療保健等行為。綜合來說，其優點包括提供客觀指標，不易受到診斷測試中固有偏見影響，如尋求健康的行為、疾病嚴重程度(包括有症狀無症狀)、醫療保健和測試可及性、醫生和個人對測試的傾向以及成本和報告的限制等[12]。

我們以紐西蘭環境研究與科學研究所的互動式新冠廢水監測網作為實例(圖五)，該儀錶板於2022年7月上線提供民眾追蹤SARS-CoV-2足跡，查看全國、區域疫情等最新趨勢。一方面提供時空視覺化地圖，另一方面呈現廢水統計資料提供區域選項及搜尋、比較不同時段趨勢等功能。自圖五(a)我們可觀察到威靈頓在三個時段(綠色虛線圈)顯示廢水資料與確診病例相應尖峰的不同: 疫情高峰時期由於臨床檢測充足，確診病例與廢水資料約呈一致，而低流行時期或因人們對搓鼻子感到疲憊(或認為不需要)、整體檢測能量趨緩，亦或是通報意願下降等因素出現廢水資料高峰遠超過確診狀況。民眾亦可檢視最新的SARS-CoV-2變種病毒，在圖五(b)(c)分別呈現比例與升降趨勢資訊，綜合來說，廢水資料不僅補充了臨床監測，也提供民眾防疫環境背景資訊基礎。儀錶板顯示廢水資料涵蓋全紐西蘭73%的人群，不到一克的小樣本只需少數昂貴PCR，相對百萬人每人臨床PCR的大量檢驗與成本，是的，SARS-CoV-2在廢水中水聽八方的嘀咕聲實在非常廣，滴滴咕咕，可識別可預警可追蹤還可輔助民眾防疫自主時，做好自我風險再評估。

圖五: 紐西蘭環境研究與科學研究所(Institute of Environmental Science and Research, ESR）新冠廢水監測網儀錶板
COVID-19 Wastewater Surveillance Dashboard: https://esr-cri.shinyapps.io/wastewater

參考書目

[1] Nelson, Bryn. What poo tells us: wastewater surveillance comes of age amid covid, monkeypox, and polio. BMJ 378 (2022).

[2] COVIDPoops19: https://ucmerced.maps.arcgis.com/apps/dashboards/c778145ea5bb4daeb58d31afee389082

[3] Kilaru P, Hill D, Anderson K, Collins MB, Green H, Kmush BL, Larsen DA. Wastewater Surveillance for Infectious Disease: A Systematic Review. Am J Epidemiol. (2022) Oct 13.

[4] Larsen, David A., et al. Wastewater monitoring, surveillance and epidemiology: a review of terminology for a common understanding. FEMS microbes 2 (2022). 2021-08-19

[5] Gonçalves, José, et al. Centralized and decentralized wastewater-based epidemiology to infer COVID-19 transmission–A brief review. One Health (2022): 100405.

[6] World Health Organization. Environmental surveillance for SARS-COV-2 to complement public health surveillance: interim guidance, 14 April 2022. No. WHO/HEP/ECH/WSH/2022.1. WHO (2022).

[7] [3]

[8] Carducci, Annalaura, et al. Making waves: coronavirus detection, presence and persistence in the water environment: state of the art and knowledge needs for public health. Water Research 179 (2020): 115907.

[9] McPhillips, D and Howard,J (CNN), The RSV surge didnt come out of nowhere, but gaps in data made it tougher to predict, October 27, 2022. https://edition.cnn.com/2022/10/27/health/virus-surveillance-data-gaps/index.html

[10] Karthikeyan, Smruthi, et al. Wastewater sequencing reveals early cryptic SARS-CoV-2 variant transmission. Nature 609.7925 (2022): 101-108.

[11] Aguiar-Oliveira, Maria de Lourdes, et al. Wastewater-based epidemiology (WBE) and viral detection in polluted surface water: A valuable tool for COVID-19 surveillance—A brief review. International journal of environmental research and public health 17.24 (2020): 9251.

[12] [6] 

-------------------------------------------

註: 本文之圖均作者自製，許多影像改製來源為Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/)中公眾領域(Public domain)授權圖片。唯圖五是網站截圖再製:https://esr-cri.shinyapps.io/wastewater

 

 

medium URI: https://medium.com/@andreahuang2019/廢水中病毒細菌的嘀咕-初稿-7603328d1896

 

Posted by at
Labels: , , , , , , ,

2022-11-10

台灣關於新冠廢水/汙水監測的相關報導(2021-2022)

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

Posted by at
Labels: , , , , , , , , ,

2022-09-27

臭屎臭尿: 翻牌吧，新冠黑數 !

時至今夏，一位舊金山網友發了一個推文說明當地新冠病例大大低估，其證據就是來自於廢水資料(Wastewater data, WW資料)揭示大眾通稱的「新冠黑數」。

下圖(一)顯示廢水中新冠病毒(SARS-CoV-2)的濃度為墨綠色區塊，公開報告的確診病例則為紅色曲線。觀察紅色曲線會讓人以為病例遠低於一月，但墨綠區塊卻顯示出舊金山地區六七月新冠病毒濃度實際比一月高。與此同時，此推文也得到來自世界各地推友的迴響，分享各地WW資料。幾小時內，網路上充滿了臭屎臭尿科學證據，推翻了黑數的論戰。事實上，廢水監測新冠病毒並非新事，今夏不同的是，現在平民化的公開資料平台，提供民眾即時了解社區的疫情風險評估。圖一: 舊金山新冠廢水監測圖 (2022/7/12)

 「新冠黑數」是一般對疫情低估的俗稱或國際媒體使用的”hidden  infections”(隱藏感染)，過去廢水資料主要是輔助臨床監測不足時的補充。今夏WW資料另一特色就是病毒變種資料。以美國為例(下圖二)，藉由資料開放平台，廢水處理生物機器人網站公布各州廢水資料作為領先指標，並揭露各地最新變種覆蓋率，提供大眾作為風險溝通依據。過去多數人主要依賴確診病例來形成對風險的看法，另一方面卻反覆出現黑數爭議如: 無症狀、檢驗速度、或逆轉錄-聚合酶鏈反應 (Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction，RT-PCR)檢疫能量不足等問題所造成的疫情嚴重低估。研究指出，從無症狀個體中檢測到SARS-CoV-2之個體約佔病例70%，而這些案例通常就是不尋求臨床檢測的黑數之一[1]。 

與臨床PCR檢測相比，WW資料實際上更好地反映COVID-19狀態。目前已知記錄中第一例糞便樣本進行RT-PCR檢測出陽性案例是2020年一月底的美國首例病例 (患者發病第7日)[2]。美國疾病管制與預防中心 (CDC) 於 2020 年 九 月啟動國家廢水監測系統 (National Wastewater Surveillance System, NWSS)，協調州、部落、地方和地區衛生部門實施的廢水監測計劃，以支持應對新冠疫情。二年半後，美國已在46州、5城市和2地區社區中建立了新冠廢水監測系統，而樣本就是來自為美國超過 1.3 億人服務的廢水系統[3]。

至於全球現況，目前已知最早新冠廢水監測成果是荷蘭2020年三月，在報告第一例病例前6天檢測到一個或多個基因片段[4]。另外，我們可自加州大學Merced分校主導的CovidPoops19計畫儀表板得知，2022年九月全球新冠廢水監測站已從2020 年十月的 38 個增加到現在的3745個，分佈在70個國家/地區、282個學術單位參與、並有153個網路資料儀表板(下圖三)[5]。

新冠廢水監測主要監測感染患者糞便中脫落的SARS-CoV-2 病毒片段 (遺傳信號)，不論症狀前、無症狀或有症狀。這些排泄物最終進入廢水處理系統，科學家可在廢水中通過測量這些病毒片段數量，查看社區病毒濃度的變化。此種環境監測 (Environmental Surveillance, ES) 方法，在面臨新冠檢測大幅降低或人們在家快篩結果未回報衛生部門時，解決了所謂的隱形黑數(隱性傳播)(圖一廢水資料與臨床病例的落差)。

對廢水進行測序(sequencing)檢測新冠病毒變種，則是翻牌後更進一步了解牌局。例如使用RT-PCR針對已知病毒變種測序、或次世代定序（Next Generation Sequencing，NGS）測序全基因組，進而發現未知病毒變種[6]均可作為臨床檢測不足的補充，提供社區回答: 新冠病毒存在、不存在、變種了? 濃度趨勢上升或下降等問題(圖二)。那麼社區黑數是如何被廢水翻出牌來的?

首先，「公共牌」(撲克中的“Community Cards”/社區牌)先被迅速翻出。疫情初期，社區多以加強臨床普篩來達到評估病毒覆蓋程度，但此法耗費龐大物力人力與時間成本。相反地，個人確診與否的底牌不論蓋不蓋(篩不篩)，WW資料作為公用/社區牌可先翻出來，如此一來就能提供疫情局面的整體掌控，進而深度預測與防控。

我們以世衛新冠環境監測文件[7]右圖四之資料金字塔七層級來說明: 底層是所有感染新冠生物排泄到環境中的病毒、第二層是環境監測資料(ES data)，包括症狀前，有症狀或無症狀的WW資料。第三、四層是大眾熟悉的臨床檢測，如快篩、PCR檢測抗原抗體、或檢測資源缺乏時由醫療人員診斷判定等; 第四層是回報主管機關的確診資料。最後頂端三層則是住院資料包括住院、重症與死亡，主要由醫療系統監測匯報。在第二層ES資料中目前僅探討廢水監測，未來環境中的空氣樣本檢測新冠和其他呼吸道病原體[8]是否能像廢水監測成熟仍有待觀察。廢水監測作為公共衛生應對的途徑，簡略如下[6]:

1.      排泄物中病原體 (SARS-CoV-2 在糞便中脫落)

2.      污水收集點 (污水流向集中位置，如污水處理廠)                             

3.      收集並運送到實驗室的廢水樣本(根據目標和資源，使用多種方法收集)

4.      實驗室病原體遺傳物質的擴增(濃縮和放大遺傳證據RNA 或 DNA)                           

5.      病原體和變異檢測(PCR或NGS檢測，量化病原體)                            

6.      公共衛生報告(將結果報告公共衛生部門，提高態勢感知並為行動提供科學證據基礎)

基於證據的決策(evidence-based decisions)不僅政府官員需要，一般民眾亦是如此。識別隱性傳播的早期證據，目前大約能提早的時間平均比臨床早1到 2 週 [1]。下圖五(a)根據世衛文件指出早期預警(包含新舊變種)約2週[7]:

  •  第1週採取行動鼓勵社區進行採檢、
  •  第2週預測病例，醫療預備3週後住院高峰、
  •  第5週病例高峰前，實施干預措施以降低傳播。
  •  最後再根據數據比例下調限制措施。

圖五(b)顯示不同社區規模，WW資料的防疫效益: 在大學宿舍、海軍艦艇、長期護理機構、飛機等人口規模小的社區空間，提供識別早期獨立爆發;在大學、軍事設施等人口規模中型的社區，提供通知分配資源到熱點區域;在大都市地區，則協助大規模疫情監控。

在台灣，2021年八月擴大全國廢水新冠病毒監測範圍，由11處擴充為22處[8]。然而就開放科學角度而言，沒有公開的新冠廢水監測資料平台，就像是不開牌直接把牌扔掉的muck，因此我們期待台灣廢水資料開放腳步能儘速跟上國際，提供全面性國家防疫規劃、社區早期預警、醫院養老院學校等高風險地區監測、或小至個人旅行計畫評估資訊。

新冠有沒有黑數? 當多數人是快篩確診且未作檢體定序變種，BA.5是否入侵了我的社區，這樣的問題如何解決?

不用再猜了，也不用再吵費人費時費成本的普篩大工程，做為臨床檢測的互補策略，廢水監測新冠科學，也就是近期社群媒體所暱稱的臭屎臭尿資料(shit data) 或便便資料(poops)，絕對不是屁話(shit)，是每個人每天向下水道提交樣本的即時科學證據。

使用「廢水哨兵」來幫助社區站崗監督新冠與調度資源; 在一顆小小的「水晶球」中窺探全貌、推測疫情未來趨勢; 社區下水道就像是「集體腸道」可以協助診斷社區病情; 沒有廢水新冠監測的防疫是「盲目飛行」；以及「不是每個人都在接受測試，但每個人都使用廁所」等這些近期對新冠廢水監測的國際相關比喻 [8]，淺顯易懂，自不待言。那麼，到底有沒有新冠黑數? 黑數在哪裡? 臭屎臭尿科學有答案。

English Version of this blog.

參考資料:

[1] USA GAO Report, Science & Tech Spotlight: Wastewater Surveillance. GAO-22-105841 Washington, D.C.: April 11, 2022. https://www.gao.gov/products/gao-22-105841.

[2] Holshue, Michelle L., et al. "First case of 2019 novel coronavirus in the United States." New England journal of medicine (2020).

[3] US CDC, Wastewater Surveillance: A New Frontier for Public Health, https://www.cdc.gov/amd/whats-new/wastewater-surveillance.html

[4] Medema, Gertjan, et al. "Presence of SARS-Coronavirus-2 RNA in sewage and correlation withreported COVID-19 prevalence in the early stage of the epidemic in theNetherlands." Environmental Science & Technology Letters 7.7 (2020): 511-516.

[5] CovidPoops19計畫儀表板 (最後造訪2022/10/5) : https://ucmerced.maps.arcgis.com/apps/dashboards/c778145ea5bb4daeb58d31afee389082.

[6] Diamond, Megan B., et al. "Wastewater surveillance of pathogens can inform public health responses." Nature Medicine (2022): 1-4.

[7] World Health Organization.Environmental surveillance for SARS-COV-2 to complement public healthsurveillance: interim guidance, 14 April 2022. No. WHO/HEP/ECH/WSH/2022.1. World Health Organization, 2022.

[8] 新冠廢水監測國際相關比喻:

l 廢水哨兵 (2022/1): https://wastewaterscan.org/wp-content/uploads/2022/01/SCAN_WastewaterScan-_Verily.pdf)

l 水晶球(crystal ball) 、盲目飛行(flying blind) (2022/8/12): https://fortune.com/2022/08/12/wastewater-surveillance-testing-sewage-future-pandemics-polio-new-york-city-covid-monkeypox-omicron/

l 集體腸道 (collective intestine,2022/9/7): https://www.economist.com/international/2022/09/07/how-covid-19-spurred-governments-to-snoop-on-sewage

l 不是每個人都在接受測試，但每個人都使用廁所 (Not everyone is getting tested, but everyone is using the toilet, 2022/7/12): https://news.stlpublicradio.org/coronavirus/2022-07-12/something-in-the-water-wastewater-programs-track-covid-variants-in-missouri-flushes

[9] 中央流行疫情指揮中心(最後造訪2022/10/05) : https://www.cdc.gov.tw/Bulletin/Detail/uQz0FhPiYJbyzBXNENTRYg?typeid=9

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Posted by at
Labels: , , , , ,
Subscribe to: Posts (Atom)