下水道里的人类健康观察站

2020年2月，新冠病毒抵达西班牙。加那利群岛上的一名游客生病了，然后瓦伦西亚附近的一名男子死亡。但这些都是孤立的案例。没有证据表明社区传播，因此政府决定不采取遏制措施。

但是有一些科学家知道，这种病毒已经在全国范围内迅速传播，而且没有被发现。收集并分析了巴伦西亚地区的污水在美国，研究小组发现了如此多的病毒RNA，以至于它不太可能只来自少数分散的病例。他们写道，我们的研究结果显示，在该地区宣布出现第一例病例时，病毒可能已经在当地社区传播了。

一周后，事实证明他们是对的。病例数量激增，一个月后，西班牙政府对该国实施了严格的封锁。

像污水这样脏乱——坦率地说很恶心——的东西能提供如此重要的信息，这种想法一度几乎是可笑的。然而，这场大流行迫使许多人认为，我们冲进厕所的东西对于了解整个社区的健康状况是无价的。污水处理厂可以作为化学观测站，放大疾病爆发、娱乐性药物使用、人们的饮食、接触持久性化学物质，甚至他们的基因。

但这个领域也必须努力解决以这种方式调查人类的伦理问题。乍一看，废水分析似乎是匿名的。但如果应用在足够小的范围内，它可以挑一个人无症状感染新冠病毒由于分离的化学数据无法真正洞察人们的习惯和互动，它有可能抹去个人经历，并使整个社区蒙受耻辱。

早期预警

小儿麻痹症是最先出现的疾病之一通过废水进行监测。1988年，全世界开始努力根除这种疾病;一年后，以色列建立了一个全国污水监测系统，以追踪其通过接种疫苗消灭病毒的努力。它奏效了:在全球范围内，感染人数从1988年的35万人下降到2019年的不到200人。

从那以后，以色列的监控系统一直在运行——他们很幸运，因为它提醒了他们无声的脊髓灰质炎流行在2013年。这一结果震惊了这个被世界卫生组织宣布无脊髓灰质炎的国家。紧急疫苗接种运动在不到一年的时间内控制住了疫情。

直到21世纪初，废水分析才真正开始受到关注。她说:“人们意识到，废水是一种信息来源，它可能涉及到很多方面，否则这些方面可能会被社会所掩盖。罗尔夫哈尔登他在美国亚利桑那州立大学研究污水流行病学。其中一个隐藏的方面是人们对娱乐性毒品的使用。

第一个证明废水可以追踪药物的概念来自意大利。2005年，收集波河是意大利最长的河流，集水区有500万人。结果发现它携带了大约4公斤的可卡因它的代谢物，benzoylecgonine，每天。该小组估计，这意味着每1000名年轻人平均每天至少使用27剂——这一数字大大超过了官方的国家数据。

在一些地方，废水分析受到热烈欢迎。2010年，欧盟非法药物管理局(EMCDDA)成立了该组织污水分析核心小组欧洲。从那以后，每年都有研究人员自愿参加收集来自80个欧洲城市的废水并分析其中是否含有可卡因摇头丸安非他命,甲基安非他命和四氢大麻醇。

“(废水分析)带来了其他方法所没有的东西，比如几乎实时的数据、时间和地理比较，”他解释说若昂Matias他是EMCDDA的流行病学家和科学分析师。化学分析消除了人们对他们使用的物质的数量、频率和类型的主观性。

马蒂亚斯说:“废水比其他工具更能抓住趋势。”这是2014年欧洲各地摇头丸使用量急剧上升的第一个迹象。“人口调查只显示出两到三年后的增长趋势。“当EMCDDA调查时，他们发现生产商开始以新的方式推销这种药物，例如生产带有音乐节标志的定制药片。”

公共知识

当涉及到一种快速传播的传染病时，时间就更加重要了。“平均而言，我们在发现病例前4到6天就能看到废水的趋势;这是一个非常一致的社区变化和趋势早期预警系统。艾米·柯比他领导着美国国家废水监测系统。该网络于2020年从零开始建立，用于跟踪新冠病例。她说:“我们看到很多州和地方卫生部门都在使用这些数据来做决策，尤其是在资源分配方面。”这包括确定向何处派遣移动检测单位，并确保医院有足够的物资和工作人员来应对越来越多的病人。

Kirby说，一些地方还将这些数据用于公共卫生指南:告诉人们保持距离，戴口罩并接种疫苗。“我们从卫生部门的合作伙伴那里听到的是，那些明确包括废水数据的信息远比仅仅说‘发病率在上升’的信息有效得多。”

污水数据甚至可以导致广泛的政策变化。2002年，哈尔登和他的团队发现美国废水中含有大量的triclocarban它是肥皂等个人护理产品中常见的抗菌物质。他解释说:“我们发现，三氯卡班已经突破了美国各地的污水处理厂，污染了地表水和饮用水资源。”2016年，美国食品和药物管理局禁止使用三氯卡班和其他18种抗菌化合物，部分原因是哈尔登的观察结果。他说，这是“研究人员第一次能够发现废水中的问题，并收集到足够的数据来激励联邦政府采取行动”。

在欧洲，废水分析已成为各国用来评估其国家非法药物战略的工具之一。其他地区也纷纷效仿，其中包括澳大利亚，该国目前拥有最全面的娱乐性毒品废水监测网络之一。它已经成为早期预警系统的一部分，该系统允许废水流行病学家报告药物使用或新药的峰值。这提醒那些与容易受到这些物质伤害的人一起工作的人。

仅仅知道药物的用量并不能告诉你问题出在哪里

但分析化学家回忆说，在最初的几年里，有很多人持怀疑态度Cobus嘉宝来自南澳大利亚大学。“我们无法获得资金，因为人们说‘这些化合物的含量太少了，工业化学品太多了，你在浪费时间。’”

何塞•昆塔纳圣地亚哥德孔波斯特拉大学的教授，他领导着西班牙刚刚起步的国家污水分析网络，他也回忆起人们最初的犹豫。“你必须说服当地政府，让他们相信你想在污水处理厂取样来检测药物，而他们总是害怕任何(负面报道)。”毕竟，分析污水可以揭示残酷的事实。昆塔纳的团队发现该国北部的安非他命含量是西班牙其他地区的10倍，而不仅仅是调查结果的两倍。

格伯说，有些批评是合理的。“仅仅知道药物的用量并不能告诉你问题出在哪里，也不能说明使用者是男性还是女性，是年轻人还是老年人。”他补充说，但与此同时，它使研究人员能够确定基线水平和任何干预措施的效果。

例如，它显示了Anom的戏剧性效果，为期三年的突击行动在此期间，执法部门截获了通过一款据称安全的通讯应用发送的数百万条信息。800多人被捕，其中许多人被怀疑与毒品集团有关。澳大利亚废水中的毒品含量几乎减半。尽管格伯指出，可能还有其他因素在起作用，但数据表明，该手术“对当地制药业造成了严重损害”。

Gerber说，很多人“已经意识到废水监测实际上是有贡献的”。当然，与我们打交道的警察机构都对我们说，废水监测已经改变了整个行业。

干草堆里的针

污水分析的纯技术方面几乎是平凡的。化学化合物的分析采用液相色谱法(很少采用气相色谱法)，然后是质谱法或串联质谱法。当研究人员寻找像病毒这样的生物制剂时，他们使用聚合酶链反应(PCR)来分析遗传物质。真正的难题在于从像废水这样复杂的混合物的背景噪声中分离出有用的信息，然后理解这些数据与科学家想要测量的东西之间的关系。

只有当化合物的确切药代动力学特征已知时，药物浓度才有意义。对于新的精神活性物质来说，这是一个特别的问题，因为人们对它们如何在体内转化知之甚少。格伯说，一种结构上与其他任何东西都没有相似之处的化合物几乎不可能被识别出来。“然而，大部分(新的精神活性物质)往往是彼此的立体异构体。“有大型化合物数据库可以帮助化学家找到质量相似的分子，并将潜在结构缩小到少数可以直接进行比较的分子。”

我们对废水做了很多事情，而不是对血液或尿液做，这真的可以改变信号

对于其他化合物来说，问题并不在于未知，而在于它们的分子结构。目前还没有办法测量γ-羟基丁酸，GHB。“这是一个微小的分子，而质量探测器在小分子上做得不是很好，”格伯解释说。GHB也倾向于在旨在消除干扰的预分析过程中被去除。

废水中含有很多其他的东西——微生物、限制气味的物质、肥皂、漂白剂——这些东西真的会影响结果。哈尔登说，化合物之间的相互作用如何影响浓度“被许多急于测量废水中的某些东西的人低估了”。“他们基本上采用了测量尿液或血液的思维方式，并将其转化为废水。但是我们对废水做了很多事情，而不是对血液或尿液做，这真的可以改变信号。事物可以被转化，事物可以被遮蔽，事物可以被毁灭。”

柯比说:“我们在废水中最常看到的是腐植酸、土壤之类的东西。”柯比说，美国各地的研究人员收集了数千个样本来追踪新冠病例。“用我们典型的RNA提取程序很难从样本中提取这些物质，而且我们的PCR酶真的不喜欢它们。”为了解释这些抑制物质，科学家们在样本中加入了已知数量的另一种病毒，然后检查恢复了多少。

从年底到新年，饮食成分会发生重大变化

到2022年底，美国废水网络将开始追踪抗生素耐药基因、食源性感染、流感和极具耐药性的真菌假丝酵母耳。Kirby说:“从长远来看，我们的目标是能够使用测序来寻找，基本上，所有的东西——对样本中的所有DNA进行测序，筛选出人类DNA。”

虽然病毒和药物水平分析已经成为常规，但科学家们开始从废水数据中进行更复杂的推断。“我参与了一项研究第一个研究社区饮食趋势的应用环境化学家说文卡特桑Arjun来自美国石溪大学。他和哈尔登一起辨认植物雌激素作为饮食生物标志物。碳含量越高，人们吃的水果、蔬菜、谷物和大豆就越多。哈尔登说，在过去的两年里，他的团队甚至发现了与新年决心相关的趋势:“从历年结束到新年，这些饮食成分会发生重大变化。”

在使用废水数据的尝试中，还监测了许多其他标记物:isoprostanes为估计社区水平的焦虑，肠道微生物近似肥胖水平，人类DNA调查共有的遗传性状比如种族，还有一系列的饮食和药物生物标记似乎与社会经济地位相关。

并不是每个案例都很清楚这些数据可能被用来做什么以及它是否会被认真使用。科学家们警告说，使用生物标记物来广泛地描述各种群体属性可能会消除个体。一位研究人员说:“作为一个拉丁裔人，在官方调查中很难得到代表，我的身份进一步被抹去，这令人沮丧。写了在一篇文章中，讨论了如何防止废水数据的科学和伦理滥用。

侵入性和麻木不仁?

废水的法律地位是模糊的。虽然垃圾被视为不能被偷走的被遗弃财产，但污水是否也是如此尚不清楚。然而在2009年，一名美国法律研究生指出废水监控可能会“把第四修正案冲进厕所”。

美国宪法第四修正案禁止不合理的搜查和扣押。很有理由认为，对个人家庭的污水进行取样和测试构成了需要搜查令的搜查。但是废水研究人员认为这种超细粒度的分析不太可能实现。并不是每个家庭都有一个容易接近的管道，而且仅仅证明吸毒这样的轻微犯罪就太贵了。

我们有能力向服务不足的社区提供他们所需的信息

但监控学校、监狱或工作场所等较大的个体建筑是完全可能的，而且已经做到了。废水数据帮助了中国警方追查并逮捕一个制毒商美国的一些大学也有监控校园下水道来检测学生宿舍的疫情但这有识别个人的风险，这正是废水分析通过汇总数千人的数据想要避免的事情。

哈尔登说:“从道德的角度来看，你可以说‘不要开得太小，因为你可能会侵犯人们的隐私’。”“但我们从另一个角度来看，我们能为目前处于不利地位的人做些什么?”你也许可以证明，在一个贫困的社区里，化工厂建起来很容易，人们会不成比例地接触到某些毒素。我们有能力向服务不足的社区提供他们需要的信息，以推动他们的事业。”

社会科学家说:“在道德和合法性方面的影响将根据人群的脆弱性而有所不同。卡丽兰开斯特来自澳大利亚新南威尔士大学，她在那里研究健康方面的循证干预措施。“就被监禁的人而言，我们谈论的是一个令人难以置信的边缘化人群，因此，与在处理厂监测废水相比，真正密切的监测对人们生活的影响是非常不同的。”

Gerber也认为，废水数据可能会给人带来很大的污名化。“如果你说你测量的地方有毒品问题，人们就会把孩子从学校接出来，把他们放在另一个集水区。”

废水监测绝对不能取代传统的调查

就在几年前，澳大利亚出现了一种使用废水数据的最糟糕的方法。政府决定对5000名15岁以下的社会福利受助人随机进行药物检测。根据废水证据表明，该集水区的非法药物使用率较高。该计划遭到了包括皇家澳大拉西亚医师学院和澳大利亚人权委员会他说，这种做法往好里说是无效的，往坏里说是有害的。在强烈反对之后，政府放弃了这个想法。

兰开斯特指出:“如果你对减少与毒品有关的危害感兴趣，而不是减少毒品使用本身，(污水数据)实际上并没有告诉你如何干预。”他说，在全球范围内，目前更多的政策是侧重于前者，而不是后者。Venkatesan补充说:“废水监测绝对不能取代传统的调查或边境控制。”

如果我们只使用废水，我们将只知道现实的一部分

即使分析废水的目标是防止像Covid这样的突发公共卫生事件，也需要注意数据的使用方式。不敏感的干预措施会增加恐惧和污名化，从而使疫情恶化;一项研究关于2013-2016年埃博拉疫情的报告结束。未能解决与恐惧相关的行为加速了疾病的传播，并导致更多的死亡——无论是死于埃博拉还是死于其他可治疗的疾病，因为人们避免去医院或试图隐瞒自己的疾病。对病毒的恐惧也加剧了对疫情严重国家人民和产品的歧视，放大了疫情带来的一连串社会问题。

Matias说，重要的是要记住，污水监测只能是工具箱中的一种方法。“如果我们只使用废水，我们将只了解现实的一部分。你需要有一个全局视角，把所有的数据放在一起，以便更好地了解正在发生的事情。”

废水分析有时被吹捧为比人们自我报告的数据更准确和客观，但这可能会抹去病毒传播或药物使用背后复杂的社会动态。兰开斯特说:“我们从社会研究中知道，拥有真正细致入微的当地知识是非常重要的。”我们需要做得更好的是化学家、流行病学家、从事公共卫生政策工作的人以及政策制定者之间的对话。

她补充说:“重要的是，不要因为废水分析似乎脱离了个人和他们的身体，就认为它超出了伦理审查的范围。”在过去的几年里，她变得更加乐观，认为污水监测数据在转化为政策时可以被用于做好事。“我越是看到它在病毒爆发和抗菌素耐药性等方面的应用，我就越觉得它是一种很好的工具，确实有很大的前景。”她认为，在常规卫生数据收集可能困难或成本高昂的低收入和中等收入环境中，废水分析具有特别的潜力。

哈尔登说:“最大的问题是，我们是要好好利用废水来帮助和增强人们的能力，还是仅仅将其用于监测目的。”“你可以用收集到的信息做很多事情。我认为建立一个伦理、道德和法律框架，使我们能够负责任地使用这项技术，这一点非常重要。”

卡特里娜Krämer是高级科学记者manbetx手机客户端3.0