通过废水监测揭示人类博卡病毒和肺炎链球菌的流行病学特征

《ACS ES&T Water》：Revealing the Epidemiology of Human Bocavirus and Streptococcus pneumoniae through Wastewater Surveillance

　　人类博卡病毒（HBoV）和肺炎链球菌（S. pneumoniae）的废水监测研究表明，优化后的EPISENS-M方法能有效检测这两种病原体，HBoV夏季浓度显著升高，肺炎链球菌全年稳定检出，验证了废水监测在公共卫生中的价值。

　　在公共卫生领域，人类博卡病毒（Human bocavirus, HBoV）和肺炎链球菌（*Streptococcus pneumoniae*）对儿童健康构成了重要威胁。HBoV是一种单链DNA病毒，属于细小病毒科（Parvoviridae），主要引起呼吸道感染和急性胃肠炎。它在住院儿童中频繁被检测到，尤其在五岁以下的儿童中更为常见。而*Streptococcus pneumoniae*是一种革兰氏阳性细菌，能够引发多种感染，包括结膜炎、中耳炎、下呼吸道感染、败血症和脑膜炎。它通过呼吸道飞沫传播，不仅在患病者中存在，也常见于健康人群的鼻咽部携带状态。这两种病原体的高发病率和潜在危害，使得其监测成为公共卫生管理中的关键环节。

然而，传统的临床诊断方法在监测这些病原体时存在局限性。一方面，临床检测依赖于个体主动就医的行为，而许多感染者可能并未表现出明显症状，因此难以通过常规途径被发现。另一方面，对于某些病原体，尤其是HBoV，目前尚无系统的临床监测体系。因此，研究者们开始探索更有效的监测手段，其中废水基流行病学（Wastewater-based Epidemiology, WBE）因其无创性、高灵敏度和对社区范围的覆盖能力，逐渐成为一种备受关注的替代方案。

WBE通过分析废水中的病原体残留，能够间接反映人群中的感染状况。这种方法在近年来被广泛应用于监测诸如新冠病毒（SARS-CoV-2）、流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）、诺如病毒（Norovirus）以及猴痘病毒等病原体。通过废水样本中的病原体DNA或RNA，研究者可以推断出其在社区中的流行趋势，甚至预测可能的爆发。然而，尽管WBE在监测RNA病毒方面取得了显著成效，但其在检测DNA病毒和细菌方面的应用仍较为有限，尤其是对于HBoV和*Streptococcus pneumoniae*这类病原体。

为了弥补这一空白，本研究对一种名为EPISENS-M的高效病毒检测方法进行了优化，使其能够适用于DNA病毒和细菌的检测。EPISENS-M最初是为RNA病毒设计的，其核心步骤包括电负性膜过滤、直接核酸提取、预扩增和定量PCR（qPCR）检测。通过调整核酸提取流程，例如去除DNA酶（DNase）处理步骤，并选择更高效的提取试剂盒，研究团队成功提升了该方法对DNA病毒和细菌的检测能力。此外，通过对不同过滤体积的测试，研究人员确定了75 mL的过滤量为最佳选择，既能保证核酸提取的效率，又不会造成资源浪费。

在实际应用中，研究团队从日本札幌市的两个污水处理厂（WWTPs）每周采集104份废水样本，涵盖了2023年全年的时间范围。这些样本被用于检测HBoV和*Streptococcus pneumoniae*的流行情况。研究结果表明，HBoV在大多数样本中被检测到，检测频率高达94%。值得注意的是，HBoV的浓度在夏季出现明显峰值，这一趋势与已知的某些HBoV亚型（如HBoV-2和HBoV-3）在夏季更为活跃的特性相符。而*Streptococcus pneumoniae*则表现出高度的检测频率（100%），但其浓度水平在整个监测期间没有显著的季节性变化。这种稳定的存在模式与日本近年来的临床监测数据相吻合，表明废水监测能够有效反映这两种病原体在人群中的流行趋势。

HBoV的广泛存在和季节性变化提示其在社区中的传播可能受到多种因素的影响。例如，季节变化可能会影响病毒的存活率、传播途径或宿主的免疫状态。此外，HBoV的基因型多样性也可能导致其在不同地区的流行模式存在差异。HBoV分为四个基因型（HBoV-1至HBoV-4），其中HBoV-1主要与呼吸道感染相关，而HBoV-2、HBoV-3和HBoV-4则更常出现在胃肠道感染的样本中。研究团队指出，HBoV在夏季的高浓度可能与某些基因型的流行周期有关，但具体机制仍需进一步研究。同时，HBoV在废水中的高检出率也暗示了可能存在大量无症状感染的情况，这对公共卫生政策的制定具有重要意义。

相比之下，*Streptococcus pneumoniae*在废水中的高检出率和稳定浓度，可能反映出其在人群中的高传播率和广泛携带状态。虽然临床数据显示其感染率在某些地区有所下降，但废水监测结果表明，该细菌在社区中的存在可能比临床数据所揭示的更为普遍。这种差异可能源于多种原因，包括检测手段的局限性、临床报告的不完整性以及疫情对人们行为模式的影响。例如，新冠疫情期间，由于人们普遍佩戴口罩、加强手卫生和减少聚集，*Streptococcus pneumoniae*的传播可能受到抑制，导致临床感染率下降。然而，随着疫情缓解，人们的行为逐渐恢复，*Streptococcus pneumoniae*的感染率可能随之上升。废水监测能够提供更全面的数据支持，帮助公共卫生部门更准确地评估该细菌的流行趋势。

此外，本研究还发现，废水中的粪便指示物（如crAssphage和*Bacteroides* HF183）在全年内均保持较高浓度，且不受季节变化的影响。这表明，废水中的病原体监测结果具有较好的稳定性和可重复性，能够真实反映社区中病原体的流行状况。crAssphage是一种广泛存在于人类肠道中的噬菌体，常被用作粪便污染的指示物。HF183则是一种常见的肠道细菌，其DNA可用于评估废水中的微生物污染水平。这两种指示物的高浓度为研究团队提供了可靠的基础，使得他们能够准确地检测HBoV和*Streptococcus pneumoniae*的流行情况，而无需担心样本处理过程中因季节性变化而导致的误差。

本研究的意义不仅在于优化了一种适用于DNA病原体检测的废水监测方法，还在于展示了WBE在公共卫生监测中的巨大潜力。通过废水样本的分析，研究者能够获得关于病原体传播模式、流行趋势以及社区感染水平的实时信息。这种方法尤其适用于那些缺乏系统临床监测的病原体，如HBoV和*Streptococcus pneumoniae*。同时，废水监测还可以作为早期预警系统，帮助公共卫生部门及时采取干预措施，防止疾病的进一步扩散。

HBoV和*Streptococcus pneumoniae*的监测结果还揭示了某些公共卫生问题的复杂性。例如，HBoV在夏季的高浓度可能与环境因素、人群活动模式或免疫状态的变化有关。而*Streptococcus pneumoniae*的稳定存在则提示其可能具有较强的适应性和传播能力，特别是在人群密集的环境中。这些发现为未来的公共卫生研究提供了新的视角，也为制定更有效的防控策略奠定了基础。

从全球范围来看，HBoV的流行情况存在显著的地域差异。在澳大利亚、中国、意大利和南非等国家，HBoV的检出率普遍较高，而在乌拉圭和泰国等国家则相对较低。这种差异可能与不同地区的医疗条件、人口结构、气候环境以及公共卫生政策密切相关。例如，一些国家可能更注重对HBoV的监测，从而提高了检测的敏感性和准确性。此外，HBoV的传播可能受到季节性因素的影响，如温度变化、湿度水平或人群聚集度的变化。这些因素可能会影响病毒的存活和传播效率，进而导致其在某些季节的高检出率。

*Streptococcus pneumoniae*的监测结果也提示了其在不同地区和不同时间段的流行模式可能存在变化。例如，在日本，*Streptococcus pneumoniae*引起的侵袭性肺炎球菌病（Invasive Pneumococcal Disease, IPD）在疫情前（2014–2019年）表现出明显的季节性波动，而在疫情期间（2020–2022年）则有所下降。这种变化可能与人们的行为模式、公共卫生措施以及医疗资源的分配有关。疫情期间，由于人们采取了更多的预防措施，如佩戴口罩、勤洗手和减少外出，*Streptococcus pneumoniae*的传播可能被有效遏制。然而，随着疫情缓解，人们的防护意识可能有所下降，导致该细菌的感染率回升。废水监测能够捕捉到这种变化趋势，为公共卫生部门提供重要的决策依据。

此外，废水监测还能够揭示一些未被临床数据所覆盖的公共卫生问题。例如，HBoV和*Streptococcus pneumoniae*在无症状携带者中的高检出率表明，这些病原体的传播可能比临床病例的报告更为广泛。因此，通过废水监测，研究者可以更全面地了解这些病原体在人群中的真实流行情况，从而为制定更有效的防控措施提供科学依据。同时，废水监测还能够帮助识别高风险人群和高风险区域，为公共卫生资源的合理分配提供支持。

总体而言，本研究通过优化EPISENS-M方法，成功实现了对HBoV和*Streptococcus pneumoniae*的废水监测。这一成果不仅提升了现有方法的适用范围，还为公共卫生监测提供了一种新的工具。废水监测作为一种非侵入性、高灵敏度和高覆盖性的手段，具有广阔的应用前景。未来，随着技术的不断进步和数据的持续积累，WBE有望成为公共卫生监测的重要组成部分，为疾病的防控和管理提供更加精准和实时的信息支持。