Отслеживание сточных вод использовалось и до пандемии для мониторинга полиомиелита и незаконного употребления наркотиков, но сейчас интерес к этой теме и ее применению резко возрос.
От субарктического поселка Йеллоунайф (Канада) до субтропического города Брисбен (Австралия) ученые более чем 50 стран в настоящее время отслеживают распространение вируса SARS-CoV-2 в сточных водах. За последний год число программ наблюдения за канализационными стоками, отслеживающих вирус, увеличилось с десятка или около того исследовательских проектов до более чем 200, после того как было обнаружено, что целые частицы вируса и его фрагменты выделяются с фекалиями.
Полученная информация помогает ученым отслеживать случаи заболевания, предсказывать вспышки, определять места проведения тестирования и оценивать общее число инфицированных людей в городах или регионах. Хотя наблюдение за сточными водами использовалось в течение нескольких десятилетий для выявления вспышек полиомиелита и проведения программ иммунизации, а в последнее время - для выявления незаконного употребления наркотиков, пандемия заставила обратить на него новое внимание и инвестировать в него как в средство отслеживания состояния здоровья населения.
"Интерес к эпидемиологии сточных вод существовал всегда, но теперь он переживает пик", - говорит Ана Мария де Рода Хусман, исследователь инфекционных заболеваний из Национального института общественного здравоохранения и окружающей среды Нидерландов в Билтховене. С начала 2020 года проекты по исследованию сточных вод на SARS-CoV-2 развернулись по всему миру, поскольку специалисты по сточным водам переключились на борьбу с кризисом. Однако масштабы и направленность программ наблюдения варьируют в зависимости от того, насколько серьезно страны или сообщества пострадали от пандемии.
Количество способов использования наблюдения за сточными водами просто ошеломляет. В Объединенных Арабских Эмиратах исследователи проверяли канализационные стоки коммерческих самолетов, чтобы выяснить, нет ли на прибывающих рейсах инфицированных пассажиров. Ученые в Гонконге проводят мониторинг сточных вод в многоквартирных домах, чтобы обнаружить незамеченные инфекции, а в Йеллоунайфе сотрудники здравоохранения проверяют сточные воды, чтобы выяснить, какие разновидности вирусов попали в их город, расположенный всего в 400 километрах от полярного круга.
Система раннего предупреждения
Одним из распространенных применений таких программ наблюдения является система раннего предупреждения. Инфицированные люди начинают выделять фрагменты вируса за несколько дней до появления симптомов, и де Рода Хусман использует это для прогнозирования числа госпитализаций на несколько дней вперед.
Другие исследовательские группы используют сточные воды для обнаружения и подавления вспышек в гораздо меньших масштабах. В Калифорнийском университете в Сан-Диего ученые проверяют сточные воды из 343 зданий по всему кампусу на наличие признаков инфекции. Если проба оказывается положительной, университет рассылает адресные сообщения, призывающие студентов, проживающих в пострадавших зданиях, пройти тестирование и изолироваться.
"Вы просто не можете позволить себе тестировать 10 000 студентов каждый день", - говорит Смрути Картикеян, инженер-эколог университета. Отслеживание сточных вод представляет собой дешевую и эффективную альтернативу, позволяющую выявить до 85% случаев в кампусе".
Аналогичная система используется в Гонконге, где признаки SARS-CoV-2 в сточных водах двух многоквартирных домов привели к обязательному тестированию всех жителей в январе. По данным газеты South China Morning Post, система раннего предупреждения помогла сотрудникам здравоохранения обнаружить девять бессимптомных случаев заболевания. Ученые в Австралии, где число случаев заболевания КОВИД-19 оставалось относительно низким на протяжении всей пандемии, также используют отслеживание сточных вод в качестве системы раннего предупреждения. В Квинсленде образцы сточных вод собираются по всему штату и отправляются в лабораторию в Брисбене для анализа.
Но небольшое количество случаев ставит перед австралийскими исследователями уникальную задачу. Обычный способ сбора проб сточных вод, объясняет Дэвид Маккарти, инженер по качеству воды из Университета Монаша в Мельбурне, - это опустить бутылку на веревке в участок канализации или очистных сооружений или бросить ее туда. Но, говорит он, "мы имеем дело с одним или двумя случаями КОВИДа на миллион человек. Шансы пропустить эти случаи при таком методе очень высоки".
Пассивные пробоотборники
Вместо этого австралийские ученые обратились к другим методам отбора проб. В "пассивных пробоотборниках" используется марля или другой впитывающий материал, который можно оставить в сточных водах на четыре дня, что повышает вероятность того, что он соберет фрагменты вируса из одного случая на миллион.
Маккарти разработал небольшой пассивный пробоотборник в форме торпеды, который может помещаться в узкие трубы. Проект общедоступен для использования, и его уже применяют в таких странах, как Индонезия, Новая Зеландия и Канада. Интерес к наблюдению за сточными водами распространяется не только на академические круги, но и на политиков. "На прошлой неделе мы встречались с министрами и они были в восторге", - говорит Маккарти. "До пандемии этого никогда бы не случилось".
Французский пожарный берет пробы из канализации возле дома престарелых в Марселе, Франция, чтобы обнаружить следы вируса SARS-CoV-2. Фото: Arnold Jerocki/Getty
В других странах правительства и учреждения адаптировали уже существующие методы отслеживания сточных вод для мониторинга более серьезных тенденций в количестве случаев по городам и районам. Одной из ведущих стран являются Нидерланды. Образцы из очистных сооружений позволяют исследователям оценить, сколько людей в больших группах населения инфицированы вирусом SARS-CoV-2, а правительственные чиновники используют эти оценки для принятия решений о введении запретов и распределении ресурсов.
Гертьян Медема, микробиолог из Института исследования воды KWR в Ньивегейне, Нидерланды, утверждает, что сточные воды дают более точную общую картину инфекций, чем диагностические тесты, поскольку они включают бессимптомных людей.
"Не все проходят тестирование, но все ходят в туалет", - говорит он. "Хорошо иметь объективный инструмент, который не зависит от желания пройти тестирование".
Вызовы для развивающихся стран
Однако более 70% программ по надзору за сточными водами осуществляется в странах с высоким уровнем дохода , которые вкладывают огромные ресурсы в эпидемиологию сточных вод. Многие исследователи в развивающихся странах испытывают трудности.
"Тестирование в Индии невероятно сложно, поскольку канализационные системы разобщены", - говорит Судипти Арора, эколог из Института биотехнологии в Джайпуре, Индия. По ее словам, только около одной трети всех городов имеют канализационные сети. "Следовательно, трущобы и сельские районы остаются в основном непроверенными".
В двух северных штатах страны ее сотрудники проверяют сточные воды больниц на наличие SARS-CoV-2 в рамках исследования того, инактивируют ли специфические дезинфицирующие средства этот вирус; а также образцы со станций очистки сточных вод, чтобы определить, можно ли использовать этот метод более широко в Индии. Несмотря на трудности, с которыми сталкивается метод в Индии, Арора и ее коллеги планируют использовать опыт, полученный в ходе наблюдения за сточными водами во время пандемии, и применить его в будущем для выявления в сточных водах других инфекционных заболеваний, а также бактерий, резистентных к антибиотикам.
Многие ученые, работающие в этой области, говорят, что одним из редких положительных результатов пандемии может быть то, что она нормализует использование сточных вод для мониторинга здоровья населения - будь то для будущих пандемий или для отслеживания других показателей здоровья, таких как гормоны, указывающие на стресс или уровень потребления кофеина.
"Эпидемиология сточных вод была на заднем плане", - говорит Картикеян. "Теперь она вышла на передний".
