综述：水系统中新发人畜共患病原体的监测：面向One Health世界的工具与框架

《Animals and Zoonoses》：Surveillance of Emerging Zoonotic Pathogens in Water Systems: Tools and Frameworks for a One Health World

　　

土地利用变化加剧、气候变率、城市化以及强烈的人-动物互动正在重塑全球对人畜共患疾病出现的认知，水系统日益成为病原体溢出、传播和早期检测的最终汇集地。包括污水、地表水和湿地在内的水系统整合了来自人类、家畜、野生动物和生态系统的生物学信号，但其在One Health框架中的作用仍未得到均衡整合。本综述综合了关于水生系统在人类-动物-环境界面上人畜共患病原体出现、持久存在、检测和控制中作用的现有证据。所综述的文献表明，水系统持续捕获多种人畜共患病原体的信号，包括肠道原虫（隐孢子虫Cryptosporidium、贾第鞭毛虫Giardia）、细菌病原体（霍乱弧菌Vibrio cholerae、钩端螺旋体属Leptospira spp.）、病毒威胁（SARS-CoV-2、甲型流感病毒Influenza A、西尼罗病毒West Nile virus、猴痘mpox）以及抗菌药物耐药基因，且这些信号常常先于或补充临床检测。分子诊断学的进展，包括多重和数字PCR（digital PCR）、高通量测序（high-throughput sequencing）以及基于污水的流行病学（wastewater-based epidemiology, WBE），已显著提高了灵敏度、来源归因和基因组分辨率，从而支持人群水平监测和暴发早期检测。跨越高、中、低收入环境的案例研究表明，水监测能够识别野生动物和家畜储存宿主，追踪病原体持久性和季节动态，并揭示处理效果的不足，尤其是针对耐药生物和环境持久性病原体。然而，重大挑战依然存在，包括采样策略的变异性、资源受限地区测序能力有限、野生动物监测不完整、测序和生物信息学能力不足，以及环境数据与临床和兽医监测系统的整合薄弱。伦理、治理和数据共享障碍进一步制约了实施。证据强调水系统是综合人畜共患监测不可或缺的组成部分。通过协调一致的One Health方法，辅以统一的方法、跨部门数据平台和气候信息风险模型，加强基于水的监测，对于改善未来人畜共患威胁的早期检测、准备和预防至关重要。

1. 引言
21世纪汇聚了人口、生态和流行病学力量，重塑了传染病的出现格局。全球人口预计在2025年达到约82亿，较1960年的约30亿显著增长。这种增长加剧了人类、家畜和野生动物之间的接触。快速城市化、集约化农业和气候变化为人畜共患病原体创造了有利条件。目前估计四分之三的新病毒性疾病源于动物。水系统可作为环境监测界面，并对某些水媒病原体而言，可能在One Health系统中构成环境暴露途径。除污水监测外，人畜共患病原体也常在河流、湖泊、湿地和饮用水源等水生环境中被检出，这些环境可充当连接野生动物、家畜和人群的环境储存库和生态界面。尽管水系统在One Health实践中日益受到重视，但其作为监测界面、环境储存库和暴露途径的潜力在许多常规监测框架中仍未得到充分利用。

COVID-19大流行改变了公共卫生当局对环境监测的看法，尤其是基于污水的流行病学（WBE）。虽然WBE起源于20世纪初的应用，但大流行加速了其发展和采用，并加强了环境数据与公共卫生决策之间的联系。检测技术的进步扩大了污水监测的范围，现代工具结合了多种方法，如多重微滴数字PCR（ddPCR）可同时检测多种病原体并区分人类和家畜排泄物，基因组测序可识别变异和来源。然而，若干挑战限制了基于水的病原体监测的常规使用，包括污水成分的变异性、采样策略和病原体浓缩方法的差异，以及持续频繁采样和维持实验室通量的后勤挑战。One Health框架为将污水监测整合入人畜共患疾病预防提供了基础。本综述不同于以往侧重单一方面的综述，而是对水系统作为One Health框架内相互关联的监测界面进行综合整合，涵盖污水、地表水、湿地和饮用水源，病原体生态学与环境持久性机制，从培养法到宏基因组学和生物传感器的监测工具，以及政策与治理结构。

2. 综述方法
本综述采用结构化叙述性综述方法，以汇集关于水系统中新发人畜共患和One Health相关病原体的现有证据。由于文献跨多个学科，包括公共卫生、环境微生物学、传染病监测、分子诊断和政策评估，该方法允许整合不同类型的证据，同时识别当前趋势、方法学进展、实施挑战和研究空白。文献检索使用PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar，主要关注2015年1月至2025年12月间发表的文献，并纳入必要的早期基础性研究。检索词围绕五个主要概念构建：基于水的监测、人畜共患和One Health相关病原体、环境水基质、检测技术以及公共卫生或治理框架。纳入标准包括涉及与水生系统相关的人畜共患或环境传播病原体、评估监测工具或方法、讨论病原体生态学或传播动态、涉及WBE或宏基因组学等创新监测，或处理治理与实施框架的研究。排除仅关注临床诊断或治疗干预而无环境或监测相关性的研究。筛选过程遵循PRISMA流程，最终纳入126篇文献进行定性综合。证据按四级层次解释：病原体相关核酸或抗原物质检测、活生物体或完整微生物颗粒证据、感染性或复制能力证据、以及将环境检测与暴露或传播风险联系起来的流行病学证据。

3. 水系统中新发和人畜共患病原体的全球概述
人类压力的汇聚改变了水媒病原体的生态学。水生系统现已成为人畜共患病原体溢出和环境传播的关键点。城市化、抗菌药物选择压力、生态系统破坏、农业集约化和野生动物-人类接触共同提高了地表水、污水和饮用水供应中的病原体载量和耐药信号。定量监测说明了这些压力的规模，例如受人类活动影响的湿地沿候鸟迁徙路线显示出更高的病原体和抗菌药物耐药基因水平。气候变化是病原体动态的关键调节因素，水温升高可延长弧菌属等细菌病原体的存活时间并扩大其地理范围，而极端降雨事件频率增加则加剧了来自农业和城市景观的人畜共患病原体、抗生素和耐药基因的径流输入。水系统中发现的人畜共患病原体包括经典水媒威胁和较新的One Health关注病原体。隐孢子虫和贾第鞭毛虫等原虫寄生虫在许多地区频繁出现；肠道病毒表现出类似持久性；细菌病原体数据较不完整，但家庭研究显示大肠杆菌菌株在人类和储存饮用水之间共享。蝙蝠和啮齿动物等野生动物也通过排泄物污染水源，造成持续的环境储存库。

4. 水作为人畜共患传播的载体和信号
4.1 水作为传播载体
地表水经常接收来自野生动物、农业径流和未经处理的废物流的输入，使其成为钩端螺旋体、隐孢子虫和禽流感病毒等病原体的重要环境储存库。饮用水系统在治疗屏障失效或水源受损时也可作为上游污染事件的指标。农业系统是已确认的贡献者，例如在巴拉那河下游三角洲的湿地水和沉积物中检测到钩端螺旋体物种，其存在受水可用性和季节性洪水控制。基础设施故障带来直接可量化的风险，水力模型显示废水溢流进入牧场水源后，微小隐孢子虫浓度可超过犊牛的感染剂量，产志贺毒素大肠杆菌O157:H7水平常达到与牛感染相关的阈值。扩散性农业径流进一步扩大暴露，降雨和季节性强烈预测了受牲畜影响的流域中肠道沙门氏菌的回收，表明降水驱动的淋溶是主要的非点源污染途径。

4.2 人畜共患病原体的环境持久性
病原体在水生环境中的寿命和可检测性受保护性生态位适应控制。生物膜和沉积物是关键储存库，可增强远超初始污染事件的存活。腐生型问号钩端螺旋体在湿地沉积物中持续存在，致病性钩端螺旋体存在于沉积物-表面生物膜群落中。原虫寄生虫表现出显著的理化抗性，隐孢子虫卵囊可抵抗常规氯和氯胺消毒。持久性病原体的可检测性受其环境行为直接影响，隐孢子虫卵囊和贾第鞭毛虫包囊因沉降特性可能在抓取水样中代表性不足，但富集在沉降固体或生物膜中。存活受温度、营养可用性和水文情势调节，干湿周期可交替去除或释放沉积物中的病原体。

4.3 气候作为传播动态和信号特异性的调节器
气候变率是水系统中病原体通量的核心放大驱动因素。洪水、干旱和温度变化直接影响病原体运输、稀释、浓缩和存活。气候变化还影响监测信号的特异性，干旱可浓缩污水，人为抬高病原体基因拷贝数，而极端降雨可导致稀释至检测限以下或发生绕过处理厂的污水溢流。变暖水温可延长嗜热细菌的存活，而凉爽条件可延长肠道病毒和原虫包囊的持久性。洪水事件将病原体从沉积物和生物膜动员到水柱中，增加暴露风险；干旱浓缩污染物并增加人类和动物对有限水源的依赖，增强接触和溢出途径。

4.4 基于污水的流行病学用于病原体循环和环境信号的早期检测
WBE已证明其提供人群水平汇总数据的能力，在某些情况下比临床病例报告早数天至数周。现代分子方法，如定量PCR（qPCR）、数字PCR（dPCR）、靶向富集测序和鸟枪法宏基因组学，可灵敏检测低丰度靶标并揭示微生物群落变化。主要优势是捕获无症状脱落和来自污水流域内人类和动物群落的汇总信号，绕开临床检测的获取偏差和个体同意挑战。然而，操作化这一早期预警潜力需面对验证和标准化挑战，包括缺乏关键性能指标的共识标准，以及WBE对大多数人畜共患病原体的灵敏度和特异性未在不同环境中充分验证。WBE的早期预警价值因病原体和监测背景而异：对SARS-CoV-2，证据最强；对甲型流感，可识别季节性和禽类相关信号，但提前时间解释取决于亚型和数据；对猴痘，检测主要反映病毒DNA而非感染性病毒；对西尼罗病毒，检测仍在出现且应作为补充而非独立指标；对肠道病原体，环境检测可能表明污染或暴露潜力，需结合活性或流行病学关联。WBE不应被解释为通用早期预警系统，在某些情况下污水信号与临床或兽医指标同时出现而非提前。

5. 检测水系统中人畜共患病原体的监测工具和技术
用于水基人畜共患和One Health监测的工具在灵敏度、特异性、周转时间、可扩展性、操作就绪性和解释价值方面存在差异。培养法仍对活菌回收和抗菌药物敏感性测试至关重要；PCR和数字PCR可快速灵敏检测已知靶标；测序和宏基因组学可扩展至更广泛的病原体群落、变异和耐药标记，但需更高的实验室和生物信息学能力。生物传感器、CRISPR诊断、便携式测序平台和集成微流控系统提供有前景的分散应用，但许多仍处于现场验证阶段。

5.1 基于培养的监测
培养法仍是水监测的核心，尤其对细菌病原体监测和需要活菌进行表型测试及后续基因组工作的抗菌药物耐药计划。WHO Tricycle方案是一种广泛使用的培养方法，支持从环境水中回收和定量大肠杆菌，包括超广谱β-内酰胺酶表型。培养法的主要优势是提供可进行分子分析的分离株，例如Nanopore MinION测序的分离株在耐药基因检测中与杂交组装达98%一致性。但培养法比分子测试更耗时，无法检测难培养或不可培养生物，病毒病原体需细胞培养系统，限制常规使用。

5.2 抗菌药物耐药监测作为One Health应用
抗菌药物耐药标记是关键One Health监测靶标，因为其提供跨越人类医疗、畜牧生产、农业径流、污水排放和环境储存库的信号。AMR监测常依赖检测耐药基因、移动遗传元件、耐药指示生物和活菌。培养法因能产生活菌而重要，qPCR和宏基因组学可直接检测污水、地表水、沉积物和农业径流中的耐药基因。但耐药基因检测不确认表型耐药、宿主身份或临床相关性，因此AMR监测最有效的方式是结合培养、分子定量、宏基因组学和来源相关标记。

5.3 分子工具、PCR和qPCR
PCR和qPCR已成为水基病原体监测的核心工具，提供快速灵敏检测而无需培养。新型数字RT-PCR检测可支持高致病性禽流感H5Nx病毒的环境监测；多重qPCR平台可同时检测细菌、病毒、原虫和蠕虫。等温扩增方法如环介导等温扩增（LAMP）和重组酶聚合酶扩增（RPA）在恒温下扩增核酸，减少对热循环仪的需求，适用于中低收入环境。PCR方法缩短周转时间，可检测不可培养生物，并允许多靶标筛选。但PCR不能确认活性，环境抑制剂可导致假阴性，且需设备和培训人员。

5.4 高通量测序和宏基因组学
高通量测序和宏基因组学直接分析环境水样中的遗传物质。水监测现使用短读长平台如Illumina MiSeq和长读长平台如Oxford Nanopore GridION和MinION。靶向富集测序已在污水监测中提前约一周检测到变异转变。鸟枪法宏基因组学扩展检测范围，可回收多种人类和动物病毒。在耐药监测中，长读长测序帮助表征质粒和移动遗传元件。但测序成本高，需生物信息学能力和计算支持，低病毒载量时解释困难，且有污染风险。选择鸟枪法还是靶向策略取决于监测目标和资源。

5.5 生物传感器和新兴工具
生物传感器技术旨在支持即时检测，具有快速和基础设施需求低的特点。现有工作包括比色传感器、手机连接检测系统和纳米材料传感平台。生物传感器的优势包括便携性、快速读出和可在中心实验室外使用。CRISPR诊断、微流控平台和纳米增强传感器正在开发中。然而，其在污水、地表水和饮用水中的性能受样品复杂性、抑制、靶标浓度、污染控制和验证流程限制。生物传感器可能作为补充角色，支持快速筛查，而qPCR和测序提供确证和详细基因组信息。

6. 重点新发和人畜共患病原体案例研究
6.1 霍乱弧菌
霍乱弧菌在经历定期霍乱暴发的地区仍是水监测的优先生物。撒哈拉以南非洲部分地区的评估显示，许多利益相关者认为霍乱弧菌是污水和环境监测的关键病原体。该生物可在河口生物膜中存活并附着于浮游动物，温度变化影响其生长，表明环境监测可提供与霍乱活动增加相关的早期环境指标。但文献仍缺乏具有明确结果数据的常规监测操作计划。

6.2 甲型流感病毒
甲型流感病毒污水监测作为临床和禽类监测的支持工具持续增长。印度班加罗尔的一项纵向研究收集812份污水样本，检出37%的甲型流感病毒RNA，并观察到季风期10月的季节性高峰。测序成功恢复所有八个基因片段，可鉴定亚型相关基因组特征。加利福尼亚的研究检出季节性H1和H3，并检测到H5 RNA。在无正式下水道系统的地区，如科特迪瓦家禽屠宰废物场所，也检测到甲型流感病毒。提前时间结果因地区而异，俄亥俄州报道与临床活动一致，而马赛的监测显示污水信号比临床报告早约9至10天。

6.3 SARS-CoV-2
COVID-19大流行推动了WBE的快速全球扩展。班加罗尔计划在86%的样本中检出SARS-CoV-2 RNA，并使用RT-qPCR和基因组测序识别变异。奥地利蒂罗尔计划分析了43个地点的5,270份样本，支持趋势监测。基加利国际机场的污水分析检测到来自旅行者的SARS-CoV-2并识别循环变异。美国俄亥俄州网络显示污水浓度比临床病例报告早约两周。在无中央下水道的地区，科特迪瓦的开放运河污水采样在46%的样本中检出RNA。基因组测序已在临床报告前检测到低水平变异相关信号。

6.4 西尼罗病毒
水系统中的西尼罗病毒监测正受到关注。美国研究报道在已知临床活动期间检出率在3.3%至13%之间，WNV RNA与污水固体强烈结合。水生环境影响病毒循环，安达卢西亚暴发期间在瓜达尔基维尔河周围发现受感染蚊池，蚊虫感染比人类病例早近一个月。蚊子排泄物监测可实现非侵入性检测。但污水监测仍缺乏充分验证，环境因素有时在蚊虫数量下降时增加感染风险。

6.5 猴痘病毒
2022-2023年猴痘暴发导致污水监测的快速应用。西班牙研究在312份样本中的63份检出猴痘DNA，浓度范围2.2×10³至8.7×10⁴基因组拷贝/升。巴西研究显示医院污水检出率高于市政污水。方法比较显示不同qPCR阈值导致检出率差异。美国CDC监测显示每周灵敏度随感染人数增加而上升。污水检测主要反映病毒DNA而非感染性病毒，加拿大计划在某些情况下检测先于临床确认。

6.6 大肠杆菌
大肠杆菌O157:H7既是病原体又是指示菌。标准大肠杆菌检测不区分O157:H7，因此系统可能通过常规合规检查同时携带危险血清型。牛是主要储存宿主。2000年加拿大沃克顿暴发导致7人死亡，约2,300人患病，原因是强降雨将牛粪中的O157:H7和空肠弯曲菌冲入浅层市政水井，氯消毒失败。污水和环境监测依赖qPCR靶向stx1、stx2和eae毒力基因，全基因组测序可比较环境分离株与临床和兽医菌株。

6.7 隐孢子虫
隐孢子虫对常规水处理构成挑战，因为氯不能杀死卵囊。微小隐孢子虫可在牛、羊和人之间传播，处于One Health界面。1993年密尔沃基暴发约403,000人患病，当时处理厂符合浊度和大肠杆菌标准。环境监测显示圣保罗地表水和污水中广泛检出。Gp60亚型分型可溯源动物接触暴发。

6.8 啮齿动物传播和其他新发病原体
台湾新北市为期一年的污水监测在38.2%的样本中检出病原体，其中36.6%检出问号钩端螺旋体，基因组测序将其与啮齿动物和人类临床分离株联系起来。还检出鼠肝炎病毒和汉坦病毒，提供啮齿动物传播病原体在城市地区的直接证据。

7. 政策驱动因素和全球治理框架
WHO通过《饮用水水质准则》提供水相关健康监测的中心框架，推广水安全计划（WSPs）。WHO One Health高级别专家小组强调跨学科监测。联合国可持续发展目标（SDGs）包括目标3（良好健康与福祉）、目标6（清洁饮水和卫生设施）、目标13（气候行动）和目标15（陆地生物）。《国际卫生条例（IHR 2005）》对196个国家具有法律约束力，但2022年只有64%的国家达到监测能力基准。三方伙伴关系在2022年扩展为四方伙伴关系，加入联合国环境规划署（UNEP），并通过《联合行动计划（2022-2026）》。美国CDC的国家污水监测系统（NWSS）和欧洲ECDC的污水监测仪表板提供了操作模型。但中低收入国家仍面临重大实施差距，包括破碎的卫生系统、低下水道连接率、实验室能力不足和人员短缺。

8. 当前差距、挑战和未来方向
宏基因组测序对复杂水基质中稀有病原体的分析灵敏度不足，且在中低收入国家难以实施，每样本成本可达数百美元。不同监测活动的数据整合困难，格式不兼容，数据共享规则限制性。野生动物和牧区监测不完整，缺乏全球水样本基因组监测网络。伦理问题包括社区同意、污名化和非法药物化学标记的偶然识别。环境数据与临床和兽医监测系统整合是主要挑战，结构差异使数据对齐复杂。未来方向包括人工智能和机器学习用于整合异质数据集，但需谨慎解释，模型性能依赖数据质量。气候关联模型可识别传播风险增加区域，但应作为决策支持工具。需要持续投资于可负担测序技术、互操作数据平台、劳动力培训和伦理框架。

9. 研究局限性
本综述存在局限性，包括文献方法学异质性、区域监测能力差异、未进行正式荟萃分析。WBE并非万无一失，存在未能在临床出现前检测到信号的情况。未来框架必须将WBE与临床和载体数据整合，而非将环境检测视为传播风险的独立证据。

10. 结论
本综述强调水系统在生态、检测和监测新发人畜共患和环境传播病原体中的作用日益增长。污水、地表水和湿地证据表明水生环境可作为人群规模的环境监测信号，反映感染趋势并提供生态和暴露界面。分子诊断、宏基因组学和WBE的进步提高了监测能力，但重大障碍依然存在，包括采样方法差异、不同病原体的灵敏度和特异性差异、生物信息学知识短缺，以及将监测信号转化为协调One Health行动的持续挑战。伦理和治理问题如社区同意、数据共享和公平获取也需解决。需要持续投资于可负担测序技术、整合数据平台、跨学科合作和气候信息监测模型，以加强全球准备和One Health监测能力。