不到一公克樣本便可監測冠狀病毒蹤跡，「廢水流行病學」如何防患未然？

文：黃韋菁（A.H.）

美國下水道冠狀病毒警報網（Sewer Coronavirus Alert Network, SCAN）團隊領導人之一的傳染病學家沃爾夫（Marlene Wolfe）在接受《英國醫學期刊》（British Medical Journal）訪問時曾提到 ：「從全國各地社區採集不到一公克的廢水固體樣本，這個小樣本在某些情況下可代表多達400萬人。」這意味著追蹤廢水，或許就能了解人類生活的痕跡。

去（2022）年年末，全球至少70個國家、超過3800監測站期望從不到一公克廢水樣本中，觀察到COVID-19（嚴重特殊傳染性肺炎、新冠肺炎、武漢肺炎）的蹤跡。

廢水科學的歷史

檢測廢水起源的研究可以追溯到1854年倫敦蘇活區（Soho）的寬街霍亂爆發事件。當時，調查單位在一間多人因霍亂而死亡的房屋附近，發現已有病原體洩漏進該區公井和汙水池的糞便中，進而汙染泵的供水系統並引發流行病。

流行病學家在1950年代中期針對非州大蝸牛（AchatinAfulica）的血吸蟲感染（schistosome infection）進行調查，他們在追蹤病例起源時發現廢水汙染了附近水庫，因而確定此公共衛生問題的來源。

在目前已知的公共衛生文獻中，「廢水追蹤或跟蹤」（wastewater tracing or tracking）是初期在利用廢水追溯感染源時常見的術語。到了1970年代，「廢水監測」（wastewater surveillance, WWS）、「廢水偵測」（wastewater monitoring）、「廢水方面的監測」（wastewater-based surveillance, WBS）等不同的術語出現在工業廢水檢測研究中。

2000年代，為了追蹤海洛因和其他非法藥物等議題，又出現「汙水流行病學」（sewage epidemiology）和「廢水流行病學」（wastewater-based epidemiology,WBE）等學科用語的混用，主要描述以廢水中穩定人類排泄的物質，應用於同樣在計算樣本初始濃度的科學領域。

到了2014年，「廢水流行病學」漸漸取代「汙水流行病學」一詞，雖然汙水和廢水二詞仍通用，不過世界衛生組織（World Health Organization, WHO）在近期的官方文件主要使用「WWS」一詞，學者也建議標準化相關科學技術，支持使用「WWS」和「WBE」作為共通用詞。

若檢視定義的差別，我們可從公共衛生的角度區分：廢水追蹤或跟蹤，主要為了識別病原體或毒物來源； 廢水偵測是為確保廢水排放不會造成公共衛生風險；WWS則強調系統性、持續地測試廢水以造福公眾健康，且可能與公共衛生政策相關； 而WBE是將廢水中發現的病原體和化學物質與人口健康聯繫起來的科學領域（圖一）。

Photo Credit: 科學月刊

COVID-19前，廢水科學研究了哪些傳染性人類病原體？

歷年來WWS用於評估引起腹瀉相關疾病的汙水傳播和糞口傳播病原體，其中研究較為成熟的人類傳染病病原體，包括微小核糖核酸病毒（Picornaviridae）、杯狀病毒（Caliciviridae）、呼腸孤病毒（Reoviridae）等。另外還有冠狀病毒（coronavirus）、伊波拉病毒（Ebolavirus）、茲卡病毒（ZikAvirus）和已提供公共衛生行動或政策資訊的小兒麻痺病毒（Poliovirus，或稱脊髓灰白質炎病毒）。流感和愛滋病毒（human immunodeficiency virus, HIV）則在WWS的相關文獻中較少出現 。

WWS通常涉及動物、人類和環境的複雜動態影響。由於早期的冠狀病毒具有高流行潛力，因此科學家自1970年代起透過監測地表水、廢水、泥漿和生物體中的冠狀病毒，以了解這類病毒在水循環中的狀態。

其中包括人類冠狀病毒，如嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒（SARS-CoV）；人畜共患的β 冠狀病毒（β-CoVs），如中東呼吸症候群冠狀病毒（MERS-CoV）；動物冠狀病毒，如牛冠狀病毒（BCoV）、小鼠肝炎病毒（MHV）等。目前的研究著重冠狀病毒在廢水中的生存狀態、病毒回收效率等，但整體知識仍非常零碎 。

COVID-19時期的WWS

早期的WWS發展涵蓋藥物、清潔劑、工業汙染物或病原體中的抗生素抗藥性細菌等，以及人類傳染病病原體。在COVID-19大流行後，透過WWS研究COVID-19和新變異株的技術變得愈來愈成熟，廢水也成為監測呼吸道傳播病原體的有效潛在應用。

而近期除了監測COVID-19外，國際關注的猴痘病毒（monkeypox virus,MPV）與呼吸道融合病毒（respiratory syncytial virus, RSV）也成為WWS關注的對象。尤其是當多數人未接受RSV臨床檢測時，廢水資料填補了傳統監測的空白 。

與此同時，廢水基因組監測技術的新進展同時解決了廢水中含有多種病毒株的問題。例如能在廢水樣本中提前14天發現新的COVID-19變異株，並確定臨床監測未能捕獲的病毒傳播實例。除了能提供高風險人群如學生宿舍，機場、醫院、養老院等長期護理設施的早期預警外，還能輔助遏制和緩解病毒的爆發。長期而言，WWS更是追蹤病毒譜系動態綜合優勢的重要工具 。