被动采样技术在废水资源回收设施中监测SARS-CoV-2基因组的可行性研究及其对疫情防控的启示

本研究针对资源有限环境下废水监测的挑战，探讨了被动采样（COSCa-ball和Torpedo采样器）在废水资源回收设施（WWRF）中用于SARS-CoV-2基因组监测（WWGS）的可行性。通过对比自动采样器与被动采样器的性能，研究发现被动采样能有效捕获病毒RNA，且基因组覆盖率与自动采样相当，尤其在长读长测序（300 bp）下表现更优。该研究为低成本、大规模的病原体基因组监测提供了新思路，对全球疫情防控具有重要意义。

　　

随着COVID-19大流行进入地方性流行阶段，SARS-CoV-2持续变异，对全球公共卫生构成长期威胁。传统的临床基因组监测存在成本高、覆盖范围有限等缺点，而废水基因组监测（WWGS）作为一种非侵入性方法，能够全面反映社区中病毒的传播动态。然而，WWGS通常依赖昂贵的自动采样器，在资源有限地区难以推广。被动采样技术因其成本低、操作简单而备受关注，但其在高流量废水资源回收设施（WWRF）中的应用效果尚不明确。

为解决这一问题，加拿大渥太华大学的研究团队开展了一项系统研究，比较了自动采样器与两种被动采样器（COSCa-ball和Torpedo）在WWRF入口处采集废水样本的性能。研究通过RT-qPCR定量、Illumina平台测序和生物信息学分析，评估了不同采样方法对SARS-CoV-2 RNA捕获效率、基因组覆盖率和变异检测能力的影响。相关成果发表在《Water Research》上。

研究采用了多项关键技术：1）并行采样设计，同步采集自动采样器和被动采样器样本；2）Nanotrap?磁性颗粒富集病毒RNA；3）Illumina MiSeq平台的长读长（300 bp）和短读长（150 bp）测序对比；4）基于Freyja工具的谱系分析；5）统计模型比较不同采样方法的性能差异。样本来自加拿大渥太华Robert O. Pickard环境中心的WWRF入口，覆盖2023年3月至5月的75个样本。

3.1 悬浮固体负荷的变化
研究发现COSCa-ball采样器捕获的总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）显著高于其他方法，这与其设计结构和吸附材料数量有关。尽管如此，三种采样方法在后续RNA提取效率上未表现出显著差异。

3.2 SARS-CoV-2 RNA水平
所有采样方法均能稳定检测到SARS-CoV-2 RNA，且每日病毒载量无统计学差异（p>0.05），表明被动采样在高流量环境下仍能有效捕获病毒颗粒。

3.3 长读长测序提升基因组覆盖率
短读长测序（150 bp）下被动采样的基因组覆盖率较低（COSCa-ball为48%，Torpedo仅2%），而改用300 bp读长后，三种采样方法均能获得≥90%的基因组覆盖率，凸显读长选择对被动采样数据质量的关键影响。

3.4 基因组测序参数比较
测序数据显示，三种采样方法在原始读数、修剪读数、比对读数和覆盖深度等参数上无显著差异（p>0.05），且84%-100%的样本能达到≥90%基因组覆盖，证明被动采样可提供与自动采样相当的测序数据质量。

3.5 SNVs和INDELs分析
基因组变异分析发现，ORF1ab和S基因是突变热点区域，三种采样方法检测到的单核苷酸变异（SNVs）和插入缺失（Indels）数量及类型高度一致（p>0.05），进一步验证了被动采样的可靠性。

3.6 谱系流行趋势
通过Freyja工具分析发现，XBB.1.5是主导谱系，被动采样数据与临床监测结果高度吻合。值得注意的是，被动采样还提前检测到临床未报告的XBB.1.16谱系，展现了其在早期预警中的潜力。

研究结论表明，被动采样是一种经济高效的替代方案，能够满足大规模WWRF中SARS-CoV-2基因组监测的需求。特别是在使用长读长测序时，被动采样可获得与自动采样相当的基因组覆盖率和变异检测能力。这一发现不仅为延续COVID-19监测提供了可持续方案，更重要的是为未来新发传染病的大规模废水监测建立了技术框架。

讨论部分强调，21世纪以来全球面临多重公共卫生威胁，从SARS、MERS到禽流感和抗微生物药物耐药性（AMR），被动采样技术的推广将显著提升疫情监测网络的覆盖范围和响应速度。该研究突破了传统WWGS对昂贵设备的依赖，为资源有限地区实施基因组监测提供了可行路径，对实现"健康一体化"（One Health）目标具有重要实践意义。