用于污水和地表水浓缩的微滤（MF）与超滤（UF）技术在基于废水的流行病学（WBE）中检测SARS-CoV-2及其他包膜病毒的应用

《Biotechnology and Bioengineering》：Microfiltration (MF) and Ultrafiltration (UF) for Sewage and Surface Water Concentration for SARS-CoV-2 and Other Enveloped Viruses' Detection in Wastewater-Based Epidemiology (WBE)

　　

本研究旨在评价中空纤维膜对污水和地表水样品中包膜肠道病毒的浓缩效果。研究人员比较了微滤（MF，标称孔径0.2 μm）和超滤（UF，截留分子量100 kDa）中空纤维膜对牛呼吸道合胞病毒（BRSV）的浓缩效果，并评估了初始样品体积（1、1.5和2 L）、渗透液回收率（收集为渗透液的初始体积比例为60%、70%和80%，对应体积浓缩因子为2.5、3.3和5）以及反冲洗的影响。研究人员还评价了聚乙二醇沉淀联合离心（PEG-C）作为独立方法以及作为应用于膜浓缩液的二次步骤的效果。MF和UF膜在大部分参数和条件下具有相似的污染物截留和有机物浓缩能力（p > 0.05）。在污水中，将初始体积从1 L增至2 L时，MF的回收率从20.7 ± 0.1%升至30.0 ± 0.1%，UF的回收率从20.8 ± 0.1%升至25.3 ± 0.1%（p < 0.05）；而渗透液回收率的变化未产生显著差异（p > 0.05）。在地表水中，回收率不超过5.5%，且渗透液回收率的每次增加均使回收率显著升高（p < 0.05）。反冲洗对RNA回收率的影响强于孔径或其他操作参数，在污水中MF和UF分别达到29.3 ± 9.3%和33.8 ± 13.7%，在地表水中回收率几乎翻倍。在污水中，单独PEG-C（14.1%）与单独膜过滤（12.1%–12.3%）在统计上无显著差异（p > 0.05），而两种技术联用使回收率提高至23.0%–25.5%。在地表水中，单独膜过滤的回收率为0.8%，PEG-C为2.4%（p < 0.05），UF与PEG-C联用达到5.7%，因此是一种有效替代方案，但更耗时且需要额外设备。回收率表示为浓缩液中基因组拷贝浓度与加标样品中基因组拷贝浓度之比；按总基因组拷贝数计，在污水中对应4%至9%，在地表水中约为1%。

废水流行病学（WBE）已成为监测病原体传播的重要工具，尤其用于监测严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）。由于污水中病毒基因组浓度通常仅为10²–10⁵拷贝·L^?1，而反转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）仅使用数微升RNA提取液，因此在核酸提取和检测前必须将数升样品浓缩至数毫升。现有浓缩方法中，聚乙二醇沉淀联合离心（PEG-C）回收率稳定但需12–16 h孵育和1–2 h离心，处理通量低且需要额外设备；基于中空纤维膜的超滤（UF）可处理数升样品，但浓缩液体积仍较大，通常需二次浓缩。微滤（MF）因孔径较大而具有更高的渗透通量和更低的操作压力，但关于其用于病毒浓缩的研究不足。研究人员假设MF可通过污水过滤过程中形成的滤饼层截留病毒，从而成为UF的替代方案。这项发表在《Biotechnology and Bioengineering》上的研究系统比较了MF与UF在污水和地表水中浓缩包膜病毒的效果，并考察了操作参数的影响。

研究人员在巴西圣保罗ABC污水处理厂进水渠采集原污水，在Guarapiranga水库码头采集地表水，样品经200 μm预过滤后，使用改性聚醚砜中空纤维膜组件（MF孔径0.2 μm，UF截留分子量100 kDa）以内压式切向流模式过滤，以牛呼吸道合胞病毒（BRSV）作为SARS-CoV-2的替代病毒进行加标，考察初始样品体积、渗透液回收率和反冲洗的影响；同时比较单独PEG-C、单独膜过滤以及膜过滤联合PEG-C的效果。结果表明，MF和UF均能有效截留病毒RNA；反冲洗是提高回收率的关键操作；膜过滤与PEG-C联用可显著提高回收率。研究意义在于为WBE中病毒浓缩提供了一种更快速、低成本的方案，并揭示了基质特征对膜浓缩效率的重要影响。

主要关键的技术方法包括：（1）样品来源：原污水采自巴西圣保罗ABC污水处理厂进水渠，地表水采自Guarapiranga水库码头（坐标?23.68511, ?46.71846）；（2）切向流中空纤维膜过滤：采用MF（0.2 μm）和UF（100 kDa）改性聚醚砜膜组件，内压式运行，恒定压力控制；（3）病毒加标与反冲洗：以BRSV疫苗加标，部分实验在过滤后以100 mL·min^?1反冲1 min并循环浓缩液2 min；（4）二次浓缩：PEG-C独立使用或作为膜浓缩液的二次浓缩步骤；（5）RNA提取与RT-qPCR定量：酸性酚处理、商品化试剂盒提取RNA，针对BRSV N基因的引物和探针进行定量；（6）统计分析：采用Student's t检验、Levene检验、Shapiro-Wilk检验和Kruskal-Wallis检验。

3.1 初始污水与地表水特征
污水pH接近中性，总悬浮固体（TSS）和化学需氧量（COD）波动较大；地表水各参数相对稳定且浓度明显更低。悬浮固体和UV₂₅₄吸收性有机物可能影响病毒附着及RT-qPCR检测。

3.2 渗透液质量
MF和UF膜对污染物去除能力相似，除UV₂₅₄吸收性化合物外，两种膜的渗透液中各污染物浓度均显著低于原水；UF对地表水色度的去除效率高于MF。操作参数变化对污染物截留影响较小。

3.3 有机物浓缩
以COD浓缩比评价，UF在初始体积为1.0 L和1.5 L时对有机物的浓缩能力优于MF；渗透液回收率降低时，浓缩液COD总体呈下降趋势。反冲洗后浓缩液COD仍较高，原因是部分滤饼层进入浓缩液。

3.4 病毒RNA浓缩——膜比较与操作参数影响
在污水中，增大初始体积至2 L显著提高病毒RNA回收率，MF为30.0 ± 0.1%，UF为25.3 ± 0.1%；渗透液回收率对MF和UF的影响不一致。反冲洗对RNA回收率的影响最显著，MF和UF分别达到29.3 ± 9.3%和33.8 ± 13.7%。去离子水加标对照的回收率低于污水，说明滤饼层对病毒截留有促进作用。在地表水中，回收率不超过5.5%，渗透液回收率每次增加均显著提高回收率，反冲洗几乎使回收率翻倍；低悬浮物含量导致滤饼层较薄，病毒可能透过膜或滞留在膜内。

3.5 病毒RNA浓缩——浓缩技术比较与组合
在同一批次样品中，单独膜过滤与单独PEG-C在污水中的回收率无显著差异（MF 12.1%，UF 12.3%，PEG-C 14.1%）；膜过滤联合PEG-C可将回收率提高至23.0%–25.5%。在地表水中，单独PEG-C回收率（2.4%）显著高于单独膜过滤（0.8%）；UF联合PEG-C达到5.7%，MF联合PEG-C为3.5%。污水中的回收率显著高于地表水，说明基质组成对膜浓缩效率影响很大。

讨论指出，膜浓缩效果高度依赖滤饼层形成，低浊度地表水不利于病毒截留；反冲洗能回收附着于膜表面和孔内的病毒RNA，且简单、廉价、快速。结论翻译如下：MF和UF膜在测试条件下均能截留病毒RNA；总体上增加初始体积和渗透液回收率可获得更高回收率，但统计差异随膜类型和操作条件而变化；系统体积和回收率限制是进一步提高浓缩效率的瓶颈。反冲洗被推荐用于提高RNA回收率。与PEG-C相比，膜在污水中的浓缩性能相当，但在表面水中较低，说明膜系统在不适合形成滤饼层的基质中存在局限。两种技术联用比单独使用具有更高的RNA回收能力，因此建议在实际监测中以膜过滤为初级浓缩、PEG-C为次级浓缩，或改进系统以实现进一步浓缩。按总基因组拷贝数计，回收率在污水中为4%–9%，在地表水中约为1%，这强调在需要最高灵敏度时应将膜过滤与二次浓缩步骤联用。