社区尺度病毒分子监测：环境监测技术革新与公共卫生应用前景

本综述系统阐述了环境监测（包括废水与空气采样）作为病毒监测新兴手段的最新进展，强调其如何弥补传统临床监测的不足。文章详细探讨了废水监测（WBE）与空气采样技术原理、应用场景及数据验证方法，并分析了在低收入和中等收入国家（LMICs）实施的挑战与创新方案。作者指出，通过技术简化、数据实时化和检测菜单扩展，环境监测有望成为未来流行病预警系统的核心组成部分，但需平衡伦理（如隐私保护）与实操性问题。

　　

1. 引言

在全球化背景下，病毒传播速度加快，传统临床监测方法存在滞后性、成本高及覆盖不均等局限性。环境监测通过分析废水、空气等环境样本中的病毒核酸，实现对社区尺度病毒传播的动态、无偏倚监测。COVID-19大流行期间，环境监测技术迅速发展，尤其在检测无症状感染和早期预警方面展现出显著优势。例如，SARS-CoV-2在废水中的检测可早于临床病例报告数天至数周，为公共卫生干预争取宝贵时间。

2. 环境监测的现状

2.1. 废水监测

废水监测（Wastewater-Based Epidemiology, WBE）通过检测集中式污水处理厂或局部设施废水中的病毒核酸，评估病原体流行情况。该技术可覆盖 symptomatic 和 asymptomatic 感染者，且不受医疗资源分配不均的影响。但其定量准确性受病毒脱落率、废水基质复杂性及降解因素影响。常用归一化指标包括胡椒轻度斑驳病毒（PMMoV）和人类粪便标志物crAssphage。COVID-19期间，美国疾病控制与预防中心（CDC）建立了国家废水监测系统（NWSS），覆盖约40%人口，成为公共卫生决策的重要数据源。

2.2. 空气采样

空气采样通过捕获气溶胶中的病毒颗粒，监测室内环境（如学校、医疗场所）中的病毒传播。SARS-CoV-2在医疗设施、学校食堂等场所的空气中被频繁检出，且检测结果与临床病例趋势高度一致。空气采样与废水监测互为补充：前者更敏感于呼吸道病毒，后者更适用于肠道病毒。当前设备需进一步降低噪音与成本，以提升可部署性。

2.3. 其他创新监测方法

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  食品与动物产品：牛奶中高致病性禽流感（HPAI）H5N1病毒的检测为牧场疫情监控提供了新思路。贝类水生动物（如牡蛎）可作为沿海水域病毒污染的天然生物指示器。
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  pooled 呼吸道样本：大规模混合样本检测（如废弃纸巾）可低成本筛查社区病毒流行，但需解决样本降解与伦理问题。
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  安全套监测：用于性传播感染（如mpox病毒）监测，但涉及隐私与生物安全风险。

2.4. 环境监测数据的验证

环境数据需与临床病例数进行相关性验证。研究表明，废水中的病毒载量与社区感染率高度相关。动物模型和受控人类感染试验可精确量化病毒脱落与检测效率。此外，合成条形码噬菌体可作为内参评估检测系统的回收率与灵敏度。

3. 优化病毒环境监测项目

3.1. 简化样本采集

低成本、易部署的采样器（如3D打印“鱼雷”式废水采样器）可扩展监测至资源有限地区。法规层面，需将病毒监测纳入《清洁水法》等框架，提升制度保障。

3.2. 降低结果延迟

现场快速检测设备（如Cepheid GeneXpert^?）可实现样本即时分析。数据管理系统需整合多源信息，生成可视化报告（如热力图、文本警报），支持多层级决策。

3.3. 扩大病毒检测菜单

宏基因组测序可无偏倚检测未知病毒，如流感C病毒在废水与空气中的意外发现。纳米孔测序技术（如MinION）具备便携、长读长优势，适用于现场实时监测。

4. 中低收入国家的环境监测

LMICs面临 sewage 基础设施不足的挑战（如印度仅<10%人口接入污水管网）。替代方案包括开放水域采样、 septic 池监测及低成本空气采样器。这些方法可弥补临床监测缺口，提升疫情应对能力。

5. 未来方向与潜在应用

环境监测将逐步成为主流流行病学工具，尤其在个体检测减少（如家庭抗原检测普及）的背景下。重点发展领域包括：

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  技术整合：结合机器学习与流行病学模型提升预测能力；
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  伦理与隐私：建立数据共享规范，避免社区污名化；
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  全球合作：加强跨国监测网络，应对无国界病毒威胁。
  实现这些目标需跨学科协作、公众参与及政策支持，以确保环境监测在公共卫生实践中发挥可持续作用。