使用大容量死端超滤的病原体不可知水处理方法：一项多实验室性能研究

《Journal of Microbiological Methods》：A pathogenic agnostic water processing method using large-volume dead-end ultrafiltration: A multi-laboratory performance study

　　

处理过的水系统是公共卫生的关键基础设施，但可能容易受到有意或意外的污染。在饮用水中检测水传播病原体和生物制剂的能力对于有效应对和修复污染事件或水传播疫情至关重要。用于水样中生物制剂的回收和浓缩方案，即水处理方案（WPP），是为应对此类事件而开发的。WPP可应用于现场通过超滤器浓缩的100升水样或未经浓缩的1升抓取水样。WPP是病原体不可知的，因为它包含两个工作流程，利用尺寸选择来捕获和浓缩从寄生虫到毒素的生物制剂。美国疾病控制与预防中心（CDC）进行了单实验室评估，随后与五个州公共卫生实验室进行了多实验室验证（MLV）研究。在MLV之前，州实验室参与者接受了现场培训，随后在其实验室进行培训练习。WPP的性能通过使用接种了炭疽芽孢杆菌（B. anthracis）和MS2大肠杆菌噬菌体（MS2 coliphage）的REXEE^D-25S超滤自来水样品的回收率百分比来评估。一项桥接研究还评估了不同超滤器制造商，以在应急响应期间确保供应链的稳健性。WPP对所有滤器的两种目标物均显示出约50%的回收效率。在桥接研究中，ELISI^O-25H在炭疽芽孢杆菌回收方面表现略优，且参与者报告称与Xevont^a Hi 23滤器相比，ELISI^O-25H的用户体验更好。WPP作为公共卫生准备的重要方法，用于充分应对和修复水系统污染事件及水传播疫情。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

处理过的水系统是现代公共卫生的关键基础设施，但可能因老化、事故或恶意攻击而受到生物污染。污染事件可能导致水传播疾病暴发，而检测水中低浓度、非均匀分布的病原体（如细菌、病毒、寄生虫和毒素）是有效应对的关键。传统方法如切向流超滤（tangential-flow ultrafiltration）需将大体积水样运回实验室，操作复杂且存在生物安全风险。死端超滤（dead-end ultrafiltration, DEUF）可在现场采集大体积水样，但后续处理流程（水处理方案，WPP）的性能需经多实验室验证，以确保其在不同条件下的可靠性和可重复性。此外，原有超滤器供应商停产，需评估替代滤器以保证应急供应链。

**研究内容与结论**

研究人员开展了一项多实验室性能研究，评估WPP对炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）和MS2大肠杆菌噬菌体（MS2 coliphage）的回收效率。单实验室验证（SLV）测试了100升DEUF样品和1升抓取样品，多实验室验证（MLV）涉及6个实验室（包括CDC和5个州公共卫生实验室），并进行了桥接研究以比较不同超滤器（REXEE^D-25S、ELISI^O-25H、Xevont^a Hi 23）。结果表明，WPP对所有滤器的两种目标物均实现约50%的回收效率，ELISI^O-25H在炭疽芽孢杆菌回收中表现优于Xevont^a Hi 23。该研究证实WPP可作为公共卫生应对水系统污染事件和疫情的标准方法，论文发表在《Journal of Microbiological Methods》。

**关键技术方法**

主要关键技术包括：1）死端超滤（DEUF）现场采集100升水样；2）细菌工作流程采用顺序膜过滤（sequential membrane filtration），通过0.45 μm和0.2 μm滤膜分级捕获细菌；3）病毒工作流程使用Centricon^? Plus-70离心滤器（70 kDa孔径）浓缩病毒和毒素；4）定量PCR（qPCR）和逆转录qPCR（RT-qPCR）检测目标核酸；5）超滤器液压测试评估不同滤器在室温及5°C下的压力-流量特性。样本来源为CDC实验室的自来水，MLV中5个州公共卫生实验室（科罗拉多、佛罗里达、爱达荷、明尼苏达、弗吉尼亚）参与操作。

**研究结果**

**3.1 单实验室验证（SLV）**
通过培养和qPCR检测炭疽芽孢杆菌，DEUF样品在10⁴和10³孢子接种水平下的平均回收效率分别为23%和25%，抓取样品分别为70%和49%。80%置信水平下的检测限（LOR）为DEUF样品10²孢子/100 L，抓取样品10¹孢子/1 L。

**3.2 多实验室验证（MLV）及桥接研究**

**3.2.1 练习实验**
各实验室通过PCR试剂测试、Centricon浓缩及顺序膜过滤练习，均达到预定性能标准（如qPCR扩增效率0.90–1.10，R²≥0.980），但部分实验室Cq值因软件差异略有偏离。

**3.2.2 超滤器液压测试**
室温下所有滤器压力均低于15 psi，但5°C时均超过此限值。Optiflux F250NR和Clearum HS 22因压力异常被排除，ELISI^O-25H和Xevont^a Hi 23被选入桥接研究。

**3.2.3 MLV及桥接实验**
所有接种超滤器均检出目标物（除一个REXEE^D滤器未检出MS2）。各实验室性能存在差异（如Lab E回收率显著偏低），但整体上炭疽芽孢杆菌和MS2的平均回收率分别为REXEE^D 45%和54%、ELISI^O 44%和44%、Xevont^a 27%和32%。Xevont^a对炭疽芽孢杆菌的回收率显著低于REXEE^D和ELISI^O（p<0.05），而MS2回收率无显著差异。

**讨论与结论**

**讨论**：WPP的回收效率（~50%）优于或等同于旧版方法（最低20%和2%）。通过反向定量微生物风险评估（QMRA）确定，炭疽芽孢杆菌的感染剂量（ID₅₀）为855孢子/天，方法LOR（4000 CFU/100 L）低于最高可接受LOR（42,800孢子/100 L），表明WPP适用于公共卫生。桥接研究中，Xevont^a滤器因侧盖易脱落和回收率较低，不如ELISI^O-25H。培训和实践练习对确保多实验室操作一致性至关重要，但部分性能标准（如Centricon回收率50–100%）可能过于严格。WPP适用于低浊度水（如自来水），高浊度水可能导致滤膜堵塞。

**结论**：使用REXEE^D-25S滤器时，WPP对炭疽芽孢杆菌和MS2的回收效率约为50%。ELISI^O-25H表现与REXEE^D相似，而Xevont^a Hi 23对炭疽芽孢杆菌的回收率较低。现场培训对掌握WPP方法至关重要。WPP提供了病原体不可知的样品处理和浓缩方法，可处理DEUF或抓取样品，用于检测处理水源中低浓度或非均匀分布的生物制剂。与CDC-USEPA现场采样方案结合使用，WPP是公共卫生准备的关键方法，可充分应对和修复水系统污染事件及水传播疫情。