关键词:
污水流行病学
病毒富集
病毒赋存特征
吸附动力学
流行病学预测模型
摘要:
污水病毒赋存特征与传播动态研究是构建公共卫生预警体系的重要基础。近年来,污水流行病学(Wastewater-Based Epidemiology,WBE)因其非侵入性、广覆盖性和高时效性,在COVID-19等新发传染病监测中展现出独特优势。然而,污水基质复杂组分对病毒富集效率的干扰、病毒吸附-解吸行为的动态异质性以及环境衰减机制的不确定性,导致监测数据可靠性不足,制约了流行病学模型的预测精度。本研究通过方法优化与机制解析,建立了病毒检测-行为解析-传播预测的研究体系,旨在阐明病毒在污水中的赋存特征,为精准防控提供技术支撑。主要研究内容及结果如下:
(1)基于超滤富集技术,集成镁盐预处理(5~100 mM)与珠磨辅助核酸提取(6 m/s,1 min),开发了高效且灵敏病毒检测方法。实验结果表明,该方法对猪流行性腹泻病毒(PEDV)、猪传染性胃肠炎病毒(TGEV)等包膜病毒的平均回收率达20%以上,检测限为10copies/mL;实际污水样本中9种跨物种病毒(涵盖植物病毒、人类病毒及动物病毒)的定量检测浓度为1.88×10~3~9.35×10~6copies/mL,证实了该方法在复杂污水基质中检测多种病毒的可行性。
(2)基于北京市海淀区5个管网节点2023年6月至2024年5月的连续监测数据,解析了污水中新冠病毒(SARS-CoV-2)、诺如病毒GⅡ型(No V-GⅡ)及甲型流感病毒(IAV)的时空分布规律。结果显示,NOV-GⅡ浓度最高(峰值达6.2×10~4 copies/L),且全年持续存在;SARS-CoV-2浓度与疫情趋势高度同步,春季与冬季为传播高峰。空间分布表明,人群密集区(高校、商场)病毒浓度显著高于其他区域,凸显污水监测对区域疫情预警的价值。
(3)系统揭示了病毒在污水中的赋存机制及其关键影响因素。实验表明,包膜病毒(PEDV和TGEV)在1 h内通过吸附作用转移80.5%~84.7%至固相,高于非包膜病毒(MS2和T7<45.1%),且固相病毒衰减速率(T90=14~20天)显著低于液相(T90=3~26天)。温度与悬浮物粒径调控病毒分配:4℃下病毒的固液分配系数(Kd=1.1×10~4~1.7×10~4mL/g)普遍高于20℃,而粒径为0.06~0.125mm的悬浮物因高比表面积展现出最强的吸附能力。
(4)通过整合SEIR(易感-暴露-感染-恢复)传播动力学、病毒脱落曲线及管网衰减参数,构建了涵盖社会传播、病毒脱落与管网衰减动力学的流行病学预测模型。与传统的管网指数衰减模型相比,基于管网衰减动力学的模型可以把疫情漏报率修正至15.0,与疫情数据高度吻合。基于病毒载量阈值建立的4级风险分级标准(0~4级),实现了从环境监测数据到防控策略的关联,可以为资源调配提供决策支持。