由于病毒突变率高、复制速度快，且目前缺乏广谱抗病毒药物，传染性病毒始终对全球健康构成威胁。COVID-19大流行就凸显了病毒爆发所带来的严重健康、社会和经济影响[1, [2]。世界卫生组织已将登革热、基孔肯雅热、 mpox、严重急性呼吸综合征冠状病毒以及甲型流感病毒等列为高优先级病原体[3]。感染者会将这些病毒及其基因或蛋白质物质排入污水系统[4], [5], [6], [7]。由于病毒无法在宿主体外复制，因此污水中的病毒含量可反映感染人数[8]，这使得废水成为一种无需侵入即可获取的社区层面样本。
基于废水的流行病学研究已成为监测病毒传播的重要工具，在COVID-19大流行期间得到了进一步发展[9]。与临床监测相比，废水监测能够发现那些未被报告的无症状病例[10], [11], [12]，从而更客观地估算特定区域内的病毒流行率、基因多样性及地理分布情况[10], [11], [12], [13], [14]。具体而言，废水中的病毒信号可用于追踪社区内的感染动态和疾病流行情况，为公共卫生干预提供依据[15], [16]。废水中的病毒信号出现时间往往早于临床病例报告，因此可作为早期预警指标，并有助于预测住院率[15], [17]。此外，废水监测还能揭示疫情的关键特征，如新变异株的检测、变异株传播的空间模式和时间轨迹[18]。作为“同一健康”理念的一部分，该方法还可应用于非人类环境，如动物或野生动物栖息地[19]。然而，由于废水成分复杂、病毒载量极低[20], [21]（例如，污水中的SARS-CoV-2病毒浓度为10 - 106拷贝/升[22], [23]，或病毒蛋白浓度为10-1000飞摩尔/升[24], [25]），再加上病毒物质半衰期较短[26], [27], [28]，这些因素都给病毒检测带来了挑战，亟需快速进行分析以避免遗漏重要的监测信息。
目前，正如一些综述文章所提到的[11], [29], [30]，基于废水的流行病学研究主要依赖传统的实验室分子方法，尤其是定量聚合酶链反应和逆转录聚合酶链反应。这类方法虽然灵敏度很高，但需要昂贵的设备、经验丰富的操作人员、设施完备的实验室，而且由于样品运输和为减少基质干扰而需进行的多次预处理，检测周期较长，这限制了该技术的广泛应用。生物传感器作为一种能够将生物受体与分析物之间的相互作用转化为与目标浓度成正比的可用信号的装置[31]，被视为一种便携且快速的替代检测方法，但目前尚未在废水样本中得到广泛测试[11], [32]。
本文旨在评估为解决废水病毒检测难题而开发的分子方法和生物传感器的最新进展。本综述所纳入的文献均为英文版、经过同行评审的学术期刊文章，且均以废水样本为研究对象。我们重点关注那些能够在四个关键方面提升现有实验室检测能力或实现现场检测的先进技术。首先，我们探讨了利用等温扩增技术的便携式分子方法，以及采用新型纳米材料和超高亲和力配体的便携式生物传感器，用于检测废水中的低浓度病毒。其次，我们研究了将样品预处理步骤整合进检测流程的微流控技术。第三，我们讨论了用于降低多种目标分析物同时检测时交叉反应性的多重检测策略。第四，我们强调了在基于废水的流行病学研究中引入人工智能和机器学习技术的作用。图1展示了这些技术进步如何优化废水监测工作。我们对比了这些技术在灵敏度、样品预处理要求、便携性以及检测速度等方面相较于传统实验室聚合酶链反应和逆转录聚合酶链反应方法的优势。等温分子方法、生物传感器以及与样品处理流程的整合降低了对于实验室设备的依赖，提升了方法的便携性。多重检测策略则使得能够同时检测共存的多种病毒目标。而人工智能和机器学习技术的应用则可实现高通量的复杂数据处理，并帮助预测疫情发展趋势。最后，我们比较了这些技术的分析性能，以及它们在应对复杂基质干扰、样品预处理要求、对实验室的依赖程度以及现场应用能力等方面所面临的挑战。
