莫桑比克马普托市公共垃圾桶旁土壤中的肠道病原体为环境监测提供潜在可能

《PLOS Global Public Health》：Enteric pathogens in soil adjacent to public waste bins in Maputo, Mozambique offers potential for environmental surveillance

　　

自COVID-19大流行以来，废水监测已被广泛采用，但在低收入和中等收入国家的城市中，非污水（如现场）卫生设施是一种常见的卫生形式。在这些环境中进行环境监测需要废水的替代方案。研究人员收集了马普托市污水区和非污水区内部及两区之间150米缓冲区内的公共垃圾桶旁共81份土壤样本，并采集了污水处理厂附近的生计农场土壤作为比较。研究人员培养了大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli），并通过逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）测定了29种独特肠道病原体的流行率。公共垃圾桶旁土壤中的E. coli浓度（平均值=5.1x10⁵/克）显著高于（p<.001）农场土壤（平均值=8.7x10¹/克）。非污水区土壤（平均值=7.9，n=32份样本）和150米缓冲区土壤（平均值=11，n=10）的平均独特病原体数量高于污水区（平均值=4.6，n=20）和农场土壤（平均值=3.8，n=19）。研究结果表明，公共垃圾桶旁土壤中肠道病原体的存在与社区卫生基础设施相关。在卫生条件较差的高负担环境中，直接检测土壤和其他环境基质是除常规基质外可考虑的可扩展环境病原体监测手段。

这篇发表于《PLOS Global Public Health》的论文以莫桑比克首都马普托市为研究区域，聚焦于公共垃圾桶旁土壤中肠道病原体的分布特征及其与社区卫生基础设施的关联。研究背景建立在全球环境监测方法转型的大背景下：废水监测作为一项重要的环境流行病学工具，在COVID-19大流行期间被广泛应用，但其应用前提是完善的污水管网系统。然而，在低收入和中等收入国家（LMICs），大量城市社区依赖非污水化（现场）卫生设施，如坑式厕所和化粪池，缺乏集中式污水管网，这使得废水监测在这些环境中难以实施。因此，寻找可替代废水的环境监测基质成为该领域的关键科学问题。

已有研究表明，在马普托市，化粪池和坑式厕所中的粪污泥平均含有8种独特肠道病原体，且其病原体谱与当地儿童感染负担一致。此外，在肯尼亚、贝宁和印度的研究显示，土壤可作为土壤传播蠕虫感染监测的合适基质。固体废物也被认为具有病原体监测的潜力，但病原体在固体废物中的分布具有高度异质性。研究人员注意到，非正式工人经常在垃圾箱和垃圾场分拣可回收物，这一过程会将大量固体废物从箱中取出并散落在周围土壤上。因此，公共垃圾桶旁土壤中的粪便污染可能比固体废物本身更能代表当地疾病负担。

为验证这一假设，研究人员依托马普托卫生（MapSan）试验的60个月随访节点，开展了一项环境危害特征研究。研究目的包括：第一，比较马普托市污水区、非污水区及生计农场三个不同区域公共垃圾桶旁土壤中独特肠道病原体数量是否存在差异；第二，评估公共垃圾桶旁土壤作为环境病原体监测补充基质的可行性。研究人员假设非污水区的独特肠道病原体检出数平均高于污水区和生计农场。

在2022年2月至3月（高降雨季节）和7月至8月（低降雨季节）两个时间段，研究人员采用便利抽样法在马普托市采集了81份土壤样本。采样点位于车辆通行街道人行道一侧公共垃圾桶中心位置，均在坦桑尼亚大道和马列恩·恩古拉比大道周围3公里半径内。这两条大道将城市自然划分为非正式社区和殖民时期网格化社区。另从马普托污水处理厂附近的生计盆地农田采集土壤样本作为对照。根据现有卫生基础设施和土地利用方式，样本被分为非污水区、污水系统区、污水区与非污水区之间150米缓冲区以及农田盆地四类。150米缓冲区的确定基于污水区与非污水区边界道路延伸两个街区的距离取整，因为该区域垃圾箱可能接收来自任一区域的废物。

研究采用的主要技术方法包括：使用IDEXX Quanti-Tray/2000系统培养大肠杆菌（E. coli），采用微波炉干燥法测定土壤含水量，使用Qiagen RNeasy PowerSoil Total RNA试剂盒和DNA Elution Kit提取总RNA和DNA，并在提取前加入牛疱疹病毒（BHV）和牛呼吸道合胞病毒（BRSV）作为外源阳性对照。病原体检测采用TaqMan Array Card（TAC）平台在Applied Biosystems QuantStudio 7 Flex仪器上运行，涵盖细菌、病毒、原生动物和蠕虫共29种肠道病原体靶标，同时检测粪源追踪标记物（人类、家禽、犬线粒体DNA）和I类整合子（intl1）抗菌素耐药基因标记。循环条件为45°C 20分钟逆转录，随后95°C 10分钟，再进行50个循环的95°C 15秒和60°C 60秒PCR扩增，Cq值以35为截断值判定阳性。数据分析采用R-studio进行描述性统计，使用带有稳健标准误的泊松回归模型评估预测变量（卫生基础设施和土地利用、湿土、日照暴露、季节）与结果变量（TAC检测的独特病原体数量）的关联，由于模型存在过分散（离散统计量>2），改用准泊松回归计算调整风险比（aRR），并使用ArcGIS-Pro进行空间可视化和聚类分析。

研究结果显示：第一，粪便指示菌方面，农田盆地土壤E. coli浓度（平均值=8.7x10¹/克）显著低于非污水区（平均值=3.1x10⁵/克）、污水区（平均值=1.2x10³/克）和150米缓冲区（平均值=4.9x10⁴/克），差异呈对数分布。第二，独特肠道病原体检出方面，所有样本中最常见的三种病原体为气单胞菌属（Aeromonas，平均63.0%，95%CI=52.3-72.7%）、霍乱弧菌hylA基因（平均51.1%，95%CI=40.5-61.6%）和隐孢子虫属（Cryptosporidium spp.，平均53.3%，95%CI=42.6-63.6%）。聚集性大肠杆菌（EAEC）在非污水区（53.0%）和150米缓冲区（35.7%）的比例高于污水区（26.7%）。隐孢子虫在非污水区（66.7%）和150米缓冲区（71.4%）的检出率显著高于污水区（20.0%），贾第虫属（Giardia）也呈现类似趋势。腺病毒40/41型和轮状病毒在非污水区（15.4%）和150米缓冲区（14.3%）的检出率高于污水区（2.5%）。但蛔虫属（Ascaris）在污水区（30%）和非污水区（28.2%）检出率相近，缓冲区更高（42.9%）。累积来看，病毒病原体总检出率（5.7%）低于细菌（27.8%）、原生动物（25.5%）和蠕虫（10.1%）。抗菌素耐药基因intl1在80.4%的样本中检出。粪源追踪标记物显示，人类（87.6%）、犬类（66.2%）和家禽（76.5%）标记物在大多数公共垃圾桶旁土壤中阳性。150米缓冲区（平均值=10.5，标准差=3.3）和非污水区（平均值=7.9，标准差=3.0）的平均独特病原体数量显著高于农田土壤（平均值=3.8，标准差=4.8）和污水系统区（平均值=4.6，标准差=2.5）。准泊松回归模型显示，非污水区（aRR=1.7，95%CI=1.2-2.5，p=.005）和150米缓冲区（aRR=2.3，95%CI=1.5-3.5，p<.001）的公共垃圾桶旁土壤中独特肠道病原体数量显著高于污水系统区，而农田与污水区之间无显著差异（p=.42）。日照（完全遮荫对比完全日照，aRR=1.2，p=.35）、土壤湿度（aRR=1.1，p=.53）和采样季节（aRR=1.1，p=.53）均未显示显著关联。第三，空间分析方面，ArcGIS Pro制图显示，150米缓冲区高独特病原体检出位点密度高于其他区域，该边界呈现为东南部网格状污水区与北部非污水区的过渡带。污水区公共垃圾桶土壤的独特病原体数量随着与缓冲区距离增加而减少，整体上非污水区公共垃圾桶旁土壤的病原体检出数量最高，城市东南部污水区最低。

讨论部分指出，马普托市公共垃圾桶旁土壤存在广泛的粪便污染，当地卫生基础设施是预测土壤中独特肠道病原体数量的重要因素。污水管网可以将粪便废物输送至场外处理，减少了区域内存量粪便废物的量；而非污水区的粪便废物量更大，可能通过固体废物处置途径进入垃圾箱，包括粪污泥、尿布、袋装人或动物粪便、露天排便以及其他被粪便污染的材料。150米缓冲区的高检出率可能与该区域缺乏污水覆盖和高人流密度有关，尽管研究未直接考察人流量与固体废物或露天排便的相关性，但已有研究支持人流量大与废物堆积风险增加之间的关联。马普托市垃圾清运能力不足和公共厕所缺乏也导致垃圾箱周围成为病原体储库，对行人和环卫工人构成健康风险。研究人员认为，土壤作为环境监测基质具有独特优势，它不仅可以在污水区和非污水区采集，还可以与之前MapSan试验中家庭领域的环境监测结果进行直接比较，而粪污泥和废水等其他基质则难以实现这种直接对比。

研究结论部分翻译如下：本研究表明，非污水区以及距离非污水区150米范围内的污水区土壤中，独特病原体数量高于马普托东南部的污水区。这些区域具有持续传播肠道病原体的风险，可能导致病原体在家庭领域和公共领域之间不断循环。研究结果还提示了公共垃圾箱使用者和负责固体废物清运的环卫工人面临的潜在健康风险，以及来往于这些区域的人群可能将病原体从公共领域携带至家庭领域或反向传播。土壤样本对当地卫生基础设施的变化表现出敏感性，是环境监测中潜在的可替代基质，可作为废水监测项目的组成部分。因此，本研究结果强调了在城市环境中多样化环境监测基质以及在特定情境下制定针对性采样策略的重要性。