重力下水道中生物化学标志物的流动驱动传输机制及其在废水流行病学中的应用研究

推荐：本研究针对废水流行病学(WBE)中生物化学标志物(BCIs)在复杂下水道系统中的传输行为不明确问题，通过实地追踪5种常见BCIs在重力下水道的传输特征，发现亲水性化合物传输稳定而疏水性化合物存在显著损失，为WBE数据解读和标志物选择提供了关键依据。

　　

随着COVID-19大流行凸显社区健康监测的重要性，废水流行病学(WBE)作为一种经济高效的公共卫生监测工具获得广泛应用。通过分析污水中的生物(病毒、细菌等)和化学标志物(BCIs)，可以评估社区范围内的感染率、药物使用和压力水平等健康指标。然而，WBE面临一个关键挑战：目前对BCIs在复杂下水道系统中的传输行为缺乏深入理解，这可能导致对社区水平数据的错误解读。特别是在重力下水道系统中（占下水道网络的95%以上），BCIs的传输机制及其潜在损失尚未得到充分研究。

英国班戈大学的研究团队在《Water Research》发表了一项开创性研究，首次全面调查了WBE相关BCIs在真实重力下水道网络中的传输行为。研究选取了5种具有不同理化性质的化学标志物（卡马西平、美托洛尔、萘普生、文拉法辛和氘代咖啡因-d9）以及胡椒 mild斑驳病毒(PMMoV)作为追踪目标，在3.13公里的重力下水道中进行了实地追踪实验。研究结果表明，亲水性化合物(logD <1)能够在下水道中以有限分散的方式传输，而疏水性化合物（如logD=2.77的卡马西平）则表现出明显的固相吸附现象。这些发现为WBE数据的准确解读和标志物选择提供了重要依据。

研究人员采用了多项关键技术方法：通过罗丹明染料示踪实验预测流速和传输时间；使用三重四极杆质谱(LC-MS/MS)分析化学标志物；采用qPCR技术定量病毒载量；建立log-normal函数模型分析传输特征；通过固相萃取(SPE)进行样品前处理。实验在威尔士班戈市的真实重力下水道系统中进行，设置了三个采样点进行高时间分辨率（每2分钟）的采样。

研究结果部分，在"BCI transport in the sewer environment: time of travel"中，数据显示除卡马西平外，其他化学标志物和病毒标记物均以相似的"带状"模式传输，最大浓度出现时间一致。卡马西平因高logD值(2.77)表现出明显的拖尾现象，表明存在固相吸附。在"Chemical transport in the sewer environment: chemical mass loads and normalisation approaches"部分，质量平衡分析显示卡马西平在整个系统中回收率偏低(74%损失)，而其他化合物因社区输入被高估。采用氘代咖啡因-d9进行标准化可有效减少流量变化带来的误差。"Influencing factors and study limitations"部分讨论了采样频率、生物膜状态和管道材料等因素对结果的影响。

这项研究证实了WBE的基本假设——在重力下水道中，BCIs的传输主要由水流驱动，但化合物的理化性质(特别是logD值)会显著影响其传输行为。研究创新性地提出了使用同位素标记内标进行标准化校正的方法，并首次系统评估了不同性质BCIs在真实下水道环境中的传输特征。这些发现不仅为WBE研究中选择合适的化学标志物提供了科学依据，也为开发更准确的下水道传输模型奠定了基础。未来研究需要扩展到不同材料、坡度和流量条件的下水道系统，以进一步完善对BCIs传输行为的理解。