基于污水流行病学（WBE）的城市污水中药物空间变异性：采样设计与人口归一化的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Spatial variability of pharmaceuticals in urban wastewater assessed by wastewater-based epidemiology: effects of sampling design and population normalization

　　

首次在巴西污水系统中开展药物污水流行病学（WBE）评估；阿替洛尔（atenolol）和非甾体抗炎药（NSAIDs）在人口归一化后仍保留空间差异；医院进水对选定药物呈现不同的绝对负荷（absolute load）谱；酮洛芬（ketoprofen）和双氯芬酸（diclofenac）在4 h与24 h混合样品间存在差异；浓度、绝对负荷和人均负荷（per capita load）提供互补信息。

Mario Prokopiuk等围绕城市污水中药物的污水流行病学（WBE，wastewater-based epidemiology）应用开展研究。背景上，COVID-19后WBE因能整合人群健康信号、覆盖未就医人群而受关注；药物是反映高血压、炎症、抗菌药物使用和卫生系统压力的指标。但国际证据仍有限，巴西缺乏药物WBE应用，现有研究多表征受纳水体污染，未将污水信号转化为可操作指标；Curitiba具备近100%污水收集和智慧城市条件，适合检验城市尺度药物信号及采样设计影响。研究假设为：药物谱在污水处理厂（WWTPs，wastewater treatment plants）集水区和医院影响区存在差异；不同采样设计会影响估计和模式识别。研究人员在Curitiba都市区5座WWTPs进水和临床医院（HC，Clinical Hospital）主收集器，于2024年9—12月三个监测活动采集61个1 L复合样，比较4 h与24 h复合采样，定量23种药物，分别计算浓度、绝对负荷和人均负荷，并采用假设驱动的统计框架。结论显示药物信号的空间差异呈化合物和指标依赖；阿替洛尔及非甾体抗炎药（NSAIDs，nonsteroidal anti-inflammatory drugs）在人口归一化后仍保留部分差异；医院进水对选定药物显示不同绝对负荷谱；4 h与24 h组间酮洛芬和双氯芬酸浓度存在差异，但因设计和日期未独立控制，不能仅归因于采样时长。意义在于为资源受限城市提供WBE药物监测的方法与制度模型，强调浓度、绝对负荷和人均负荷互补，并可衔接健康、环境卫生和城市规划数据。

主要关键技术方法（≤250字）：样本队列来自SANEPAR运营的Curitiba都市区5座WWTPs进水和HC主收集器，服务约2,936,732人，HC约452床；2024年9—12月三个活动共61个1 L复合样，采用冷藏自动采样器，24 h流量比例混合与周二08:00—12:00的4 h时间比例混合。分析经三步过滤、固相萃取（SPE，solid-phase extraction）富集500倍，液相色谱—串联质谱（LC–MS/MS）多反应监测定量23种药物，内标校正并验证回收率、基质效应、精密度、检测限（LOD）和定量限（LOQ）。统计按分布假设选用方差分析（ANOVA）、Welch ANOVA、Kruskal–Wallis及事后检验，采用Benjamini–Hochberg校正，R 4.5.3完成。

研究结果：3.1 污水集水区药物空间异质性（Spatial heterogeneity of pharmaceuticals in wastewater catchments）：通过61个样品的浓度分布和空间统计，23种目标物中6种未检出；咖啡因、磺胺甲噁唑、酮洛芬、双氯芬酸、阿替洛尔和吡嗪酰胺常被定量，咖啡因中位浓度最高（121.1 μg L^?1），其次阿替洛尔（1.63 μg L^?1）和酮洛芬（0.757 μg L^?1）。浓度、绝对负荷（mg day^?1）和人均负荷（mg day^?1·1,000 inh^?1）给出的空间对比不同：阿替洛尔在三指标上均显示差异，人口归一化后WWTP-01/02与WWTP-04/05的对比仍显著；酮洛芬和双氯芬酸在浓度和绝对负荷上显示差异，归一化后仅部分对比保留；HC在氟西汀、吡嗪酰胺、磺胺甲噁唑等绝对负荷上形成局部对比；异烟肼和甲氧苄啶虽全局浓度显著但无显著成对对比。设计分层敏感性分析中，4 h子集仍保留阿替洛尔、酮洛芬和双氯芬酸的负荷差异。结论是空间异质性应按化合物和指标解释，不能将单一指标等同于集水区治疗压力。3.2 4 h与24 h采样设计差异（Differences between 4-h and 24-h sampling designs）：通过Mann–Whitney U检验和Benjamini–Hochberg校正比较WWTP-01/02的4 h与24 h组，酮洛芬和双氯芬酸在两厂均显示4 h中位浓度高于24 h，阿替洛尔仅在WWTP-02显著，吡嗪酰胺未校正显著但校正后不显著；因采样设计和日期未独立控制，差异可能混合采样窗口和日间变异，不能归因于采样时长。3.3 从WBE发现到城市健康与智慧城市应用（From WBE Findings to Urban Health and Smart City Applications）：通过整合分析，研究人员提出按化合物和指标定义优先监测点，WWTP集水区和医院排放点作为互补哨点；报告浓度、绝对负荷和人均负荷；未来纵向数据可用于决策支持，但未定义警报阈值；可与智慧城市仪表盘、开放数据接口和跨部门数据治理衔接，并渐进扩展药物面板。3.4 研究局限（Study Limitations）：通过局限分析指出，4个月不覆盖季节；社会经济解释基于已有脆弱性指数而非原始数据或正式地理建模；污水集水区（sewershed）级不解析内部变异；4 h/24 h为日变化快照且设计不平衡，24 h地点少；医院流量为估算；缺少市政处方数据外部验证；提取后4 °C储存至约2个月稳定性未独立评估，可能影响低检出/未检出，尤其环丙沙星；23种面板窄于国际50—100种基准。

讨论部分总结：药物WBE可用于识别空间异质性和医院相关质量输入；监测网络应标准化采样并按化合物/指标选点；三指标互补；应用需数据治理和纵向验证；局限包括季节、地理分辨率、流量估算、稳定性与面板覆盖。研究结论（翻译）：本研究证明将WBE应用于药物作为城市健康监测补充工具的可行性和潜力。研究发现药物污水信号存在化合物和指标依赖的空间变异性，以及与特定集水区和医院环境相关的局部差异。结果突出药物WBE补充公共卫生、环境卫生和可持续城市规划相关监测活动的潜力，同时提供可整合健康、环境和城市管理信息的污水衍生指标。尽管大型污水集水区具有聚合性质，研究证明WBE可在人群水平检测选定药物的统计支持空间差异，突出其作为城市健康监测补充方法的潜力。关键含义包括：药物WBE可揭示空间异质性药物信号；医疗相关排放点可对选定药物表现不同绝对负荷谱并补充社区监测网络；选定药物浓度在4 h与24 h采样组间不同，但因采样设计和日期未独立控制，不能仅归因于采样时长；设计分层敏感性分析显示部分空间负荷模式在分开评估时持续，强调按监测目标采用标准化和时间平衡采样方案；浓度、绝对负荷和人均负荷提供互补空间信息；WBE可为健康、环境卫生和城市规划的监测和决策支持提供补充证据，并可能整合到更广泛城市监测框架。