综述：基于废水的健康监测免疫蛋白质组学：一篇综述

本综述系统阐述了环境蛋白质组学（WBE）在废水流行病学中的前沿应用，重点聚焦免疫蛋白质组学（Immunoproteomics）技术。文章详细介绍了基于质谱（LC-MS/MS）和免疫分析（如ELISA、免疫传感器）的创新方法，用于检测病原体抗原、免疫球蛋白（IgG/IgA）及炎症标志物（如CRP、S100A8），为社区感染动态、免疫状态及疫苗接种覆盖率提供了非侵入性监测方案，有力 bridging 环境监测与公共卫生决策。

　　

引言

废水流行病学（Wastewater-Based Epidemiology, WBE）通过分析污水中的生物标志物，为社区健康与行为模式提供了独特窗口。传统WBE主要关注小分子物质，如药物及其代谢产物，而随着环境蛋白质组学的兴起，研究范畴已扩展至蛋白质等大分子。特别是基于聚合物探针的新型采样技术和高分辨率质谱的应用，使得从废水中检测人源与动物源的可溶性及颗粒性蛋白成为可能，为特定人群和工业活动提供了溯源依据。引入免疫学视角后，宿主免疫球蛋白（Immunoglobulins）、免疫应答蛋白和病原体抗原的识别，可进一步作为社区免疫状态、感染流行程度及疫苗覆盖率的潜在指标。

文献检索方法

为全面梳理WBE领域的最新进展，研究团队检索了截至2025年6月30日的PubMed、Scopus和Web of Science数据库。检索策略结合了废水、蛋白质组学、液相色谱-质谱（LC-MS/MS）、免疫分析、生物传感器等相关术语，并依据研究主题相关性筛选文献，聚焦于采用质谱、免疫富集或生物传感器技术分析污水、污泥样品，且涉及公共卫生监测、病原体检测或抗菌素耐药性研究的报告。

废水蛋白质组学

环境蛋白质组学这一新兴领域运用蛋白质组技术分析废水等复杂生物样品，以揭示环境与公共健康问题。尽管以往研究多聚焦于污水处理厂（WWTP）中的微生物群落，但先驱性工作证实，进水与出水中存在来自人、动物和微生物的多种蛋白质，且其在溶解相和颗粒相中分布各异。针对废水中靶标蛋白丰度低、基质干扰物多的特点，标准化操作流程尤为关键，通常涉及大体积样品浓缩、过滤、分级分离（如凝胶电泳）及胰蛋白酶酶切等步骤。质谱分析策略主要包括非靶向蛋白质组（鸟枪法）和靶向蛋白质组（如多反应监测MRM）。

近年来，基于聚合物探针的大规模蛋白质分析技术已在污水处理厂的不同工艺段检测到数百种细菌、植物、动物及人源蛋白质，其中人源蛋白在进水中丰度较高，而出水中几乎消失。除常见蛋白（如白蛋白、角蛋白）外，一些低丰度标志物如S100A8、尿调节蛋白（uromodulin）和防御素（defensins）也被识别，它们多为潜在疾病生物标志物。此外，自动化采样结合LC-MS/MS的鸟枪法蛋白质组学分析进一步揭示了可溶相中以脊索动物门来源蛋白为主，颗粒相则以细菌蛋白为主，强调了分相分析的重要性。

与广泛应用的PCR技术相比，LC-MS/MS在检测病原体方面具有运行时间短、灵敏度高、可同时检测病原体蛋白与宿主蛋白等优势。例如，非靶向质谱分析可比病例报告提前6天识别出废水中的SARS-CoV-2蛋白；数据非依赖采集（DIA）模式则揭示了44种与感染性疾病相关的人源蛋白（包括免疫球蛋白、细胞因子、趋化因子），其水平与当地COVID-19病例数显著相关。同时，靶向监测SARS-CoV-2与C反应蛋白（CRP）的策略，可同步反映社区感染与免疫激活状态，显示出质谱技术在早期预警中的巨大潜力。

免疫学维度

废水中的免疫监测聚焦于抗体、细胞因子等免疫标志物，可深入揭示人群水平的健康动态。蛋白质组学分析不仅可检测病原体来源蛋白，还能发现人群排泄的功能性抗体（如IgG、IgA），经Western blot、ELISA等技术验证，这些抗体对SARS-CoV-2、流感A等病原体仍具有结合活性。通过测量病原体特异性抗体，公共卫生部门可评估人群免疫保护程度，尤其在疫苗推广或新发传染病威胁背景下意义重大。

除抗体外，粪便与尿液中的疾病相关蛋白也为无创疾病监测提供新机遇。LC-MS/MS技术已鉴定出多种候选生物标志物，如维生素D结合蛋白、单核细胞趋化蛋白、凝胶溶素（gelsolin）等，它们与肾脏疾病、炎症和癌症等多种病理状态相关。此外，α-淀粉酶（α-amylase）、钙卫蛋白（calprotectin）等高分蛋白可指示压力与炎症反应，心肌肌钙蛋白I（cardiac troponin I）、胱抑素C（cystatin C）、甲胎蛋白（α-fetoprotein）等则被建议用于心血管疾病和癌症的监测。

在实际应用中，质谱技术虽精准但耗时耗材，而生物传感器则凭借快速、便携、成本较低的特点，更适合现场筛查。例如，自动化化学发光酶免疫分析（CLEIA）在污水中检测SARS-CoV-2抗原的灵敏度达100%，特异性为66.7%；纳米抗体免疫传感器可在25分钟内检测轮状病毒VP6抗原，检测限达0.02 ng L^?1；电化学发光免疫传感器也成功定量了污水中的SARS-CoV-2刺突蛋白S1。然而，生物传感器仍面临交叉反应、基质干扰、单指标检测限制等挑战，需结合样品前处理与富集技术（如免疫亲和）提升信噪比。

与临床结局关联的废水蛋白

环境蛋白质组学的快速发展凸显出纳入免疫学视角对支持环境监测、公共卫生及临床诊断的重要性。近年来，从早期基于聚合物探针的可行性研究，到靶向蛋白质组、DIA模式质谱及生物传感器等先进技术的应用，废水蛋白质组学不断揭示与公共健康相关的关键发现。

例如，S100A8（一种钙锌结合蛋白，调节炎症与免疫应答）在类风湿关节炎、炎症性肠病、多种癌症患者中高表达，其在废水中的出现可能反映人群广泛的感染或慢性疾病引发的炎症状态。防御素作为天然免疫抗菌肽，提示活动性感染；尿调节蛋白则是肾功能标志物，废水水平上升或暗示人群肾脏压力或早期病变。此外，心脏肌钙蛋白I、胱抑素C等蛋白的监测支持对亚临床心脏病和癌症风险的被动评估。

免疫球蛋白的监测尤为关键：IgG与长期免疫相关，可指示既往感染或疫苗保护；IgA主要存在于黏膜，常反映近期或持续感染。追踪抗体滴度变化有助于估计感染率与疫苗覆盖率，结合免疫接种运动（如流感、COVID-19）可近乎实时识别免疫缺口。

将蛋白质组学与免疫学数据整合，可为WBE带来变革性进展。例如，流感特异性抗体的检测可在临床症状出现前信号疫情；质谱分析病毒蛋白则可确认活动感染。在SARS-CoV-2疫情期间，WBE快速适应新病原体，显示出高度灵活性。多病原体分析策略结合蛋白质组（如S100A8、防御素）、免疫学（如IgG、IgA）及分子（如qPCR、宏基因组学）标志物，可提供更全面的社区健康图谱，尤其在资源有限地区优势明显。

进一步将废水数据与医院记录、公共卫生数据库对接，可 refine 流行病学模型，提升干预措施的时效性与准确性。医院污水作为病原体的富集源，含有细菌（如大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌）、病毒（如诺如病毒、腺病毒、轮状病毒）及寄生虫（如隐孢子虫、蠕虫），有效监测与防控对保护公众与环境健康至关重要。

从遗传特征到废水监测中的感染标志物

核酸-based方法（如RT-qPCR、数字PCR）仍是病毒监测的核心技术，具有灵敏度高（约1–10基因组拷贝 mL^?1）、特异性强、可多重检测等优点，但也存在设备试剂成本高、环境抑制剂干扰、无法区分感染性病毒颗粒与非感染性核酸残留等局限。等温扩增技术（如NASBA）缩短了检测时间，但对基质抑制敏感；高通量测序（HTS）虽能广谱检测（包括 novel 病毒），却受限于成本高、耗时长、生物信息分析复杂等问题。

相较之下，蛋白质-centered 检测靶向病毒抗原（如衣壳蛋白、刺突蛋白）和宿主应答蛋白，可提供更具生物相关性的感染活动与免疫反应信息，且蛋白质组学前处理步骤可去除许多PCR抑制剂，提升可靠性。例如，一项针对10家西班牙污水处理厂的研究发现，44种感染性疾病相关蛋白的水平与两周后报告的COVID-19病例数显著相关（ρ = 0.56, p = 0.04），其中免疫球蛋白的相关性更强（ρ = 0.64, p = 0.02）。另一研究通过LC-MS/MS同步监测SARS-CoV-2核衣壳蛋白与CRP，发现病毒蛋白日负荷与感染率密切吻合，展现出蛋白质组学在实时公共卫生趋势追踪中的效用。

适配体生物传感器亦表现突出，可在30分钟内实现飞摩尔至皮摩尔水平的检测，样品需求不足1 mL。近期进展表明，质谱与基因组学联用策略可识别已知及未知公共卫生威胁。例如，通过LC-MS/MS追踪症状相关药物与RT-qPCR监测呼吸道病毒，发现药物水平总体与病毒载量 mirror，但某些药物峰值 later 被 linked to 鼻病毒和百日咳爆发，凸显出多维度监测的必要性。此外，抗生素使用与耐药基因（ARGs）的同步监测，可揭示实际用药模式与耐药性选择压力，为抗菌素耐药性（AMR）早期监测提供可能。

同时，核酸-based方法不断拓展WBE的病原体覆盖范围。RT-qPCR已用于检测废水中的猴痘病毒（MPXV）DNA；病毒探针测序则在纵向样本中识别出450多种致病病毒，包括许多此前未发现的病毒，且测序读长与SARS-CoV-2、流感、MPXV的临床数据高度相关。季节性流感病毒（如H3N2、H1N1）也通过RT-qPCR和HTS追踪，污水病毒载量大体反映临床病例趋势，但H5N1 RNA在无住院病例的废水中的检出，再次凸显出仅凭基因组无法判断感染风险的局限。在此背景下，能多重检测高风险流感A亚型（H1N1、H5N1、H7N9）抗原的微流控电化学免疫传感器等创新技术，充分体现了蛋白质组学对基因组学的有力补充。

结论

将蛋白质组学与免疫学方法整合于WBE，为人群健康监测提供了一个强大、非侵入性的平台，支持新发传染病威胁检测、亚临床疾病趋势追踪及社区免疫应答评估。随着高通量质谱、多重免疫分析及生物传感器技术的持续进步，WBE的精准性、速度与范围将进一步扩大。

然而，在免疫蛋白质组学全面应用于常规WBE前，仍存在诸多技术挑战：低丰度蛋白的检测限、色谱对免疫球蛋白亚型或糖基化蛋白的区分能力、污水复杂基质带来的干扰等，均需通过灵敏度与特异性提升、流程优化、生物信息学工具开发等措施应对。跨学科合作——涉及分析化学、生物信息学、生物医学及公共卫生——对将这些创新转化为高影响力、可操作的WBE系统至关重要。

展望未来，WBE的下一个前沿将围绕多组学整合展开，结合蛋白质组学、免疫学、宏基因组学、代谢组学等多维度数据，深化对疾病传播、免疫及人群健康的理解，进而为更有针对性的公共卫生策略和更高效的资源分配提供依据。最终，通过 linking 环境监测与临床医学，WBE有望成为全球疾病监测中 proactive、经济高效、以社区为核心的重要支柱。在此过程中，建立清晰的伦理准则与治理框架，特别是在分散式或楼宇级废水系统分析免疫标志物时，将显得尤为关键。