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Take Home Message
• 冠狀病毒具高流行潛力，因此1970 年代科學家進行「廢水監測」，監測地表水、廢水、泥漿、生物體以了解這類病毒。
• 病毒RNA 會在患者發病前排入廢水。因此在新型冠狀病毒高度流行後，廢水監測能讓各部門提早執行公共衛生措施、緩解病毒爆發。
• 長期來看，廢水監測是追蹤病毒譜系動態的重要工具，但仍有回收率低和處理時間長等缺點。

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，觀察到新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，簡稱新冠病毒）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（Achatina fulica）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）。

圖一｜廢水科學術語的演變

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（Zika virus）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。在嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）大流行後，透過WWS 研究新冠病毒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。而近期除了監測新冠病毒外，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 天發現新的新冠病毒變異株，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 。

WBE 研究的整體步驟則包括採集樣本、病毒濃度濃縮技術、滅除其他病毒、病毒分離、純化核糖核酸（RNA）、病毒檢測和定量定序，最後完成流行病學模型分析流行趨勢（圖二）。不過，WWS的研究過程根據廢水系統的差異而有所不同，例如在資源豐富的國家主要評估下水道和汙水系統，但在資源匱乏的環境中，大部分居民的住家沒有連接到廢水集中處理廠，使用坑式廁所、化糞池或露天排便。

圖二｜新冠病毒廢水流行病學分析過程

但其實WBE 目前仍面臨許多挑戰，包括採樣時的水流日常變化、廢水系統差異、天氣因素、溫度、病毒沉澱速率、病毒脫落（virus shedding）、RNA 的純化及保存等因素；病毒檢測、定量方面則會有RNA 的品質及數量不足、聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）的抑制物（PCR inhibitor）、資料標準化等缺點。這些挑戰均會影響新冠病毒的WWS 研究面臨回收率低和處理時間長等問題 。

WWS 用於補充 而非取代個人診斷測試

與臨床診斷測試相比，WWS 的不同處在於社區規模採樣的設計、解釋，以及不同的檢測方法。由於病毒可在患者出現症狀和診斷測試前排放到廢水中，在新冠疫情高度流行的情況下，利用WWS研究屬於RNA 病毒的新冠病毒有助於記錄趨勢，而在病毒低流行或缺乏臨床測試證據的情況下則可提供早期預警，也可用於監測公共衛生社會措施造成的影響。其中包括增加或放寬限制、加強風險溝通、警告社區有關病毒（重新）出現，並建議社區有關檢測、檢疫、隔離、疫苗接種和尋求醫療保健等行為。綜合來說，WWS 的優點包括提供客觀指標，不易受到診斷測試中固有偏見影響，如疾病嚴重程度（包括有症狀無症狀）、醫療保健和測試可及性、醫生和個人對測試的傾向、成本和報告的限制等 。

以去年7 月上線的紐西蘭環境研究與科學研究所（Institute of Environmental Science and Research,ESR）WWS 互動式新冠病毒網站作為實例，此網站能提供民眾追蹤新冠病毒的足跡，查看全國各區域疫情的最新趨勢。資料涵蓋全紐西蘭73％人口，一方面提供時空視覺化地圖，另一方面呈現廢水統計資料提供區域選項、搜尋、比較不同時段、趨勢等功能（圖三），也可檢視最新新冠病毒變異株的比例與升降趨勢資訊。

圖三｜紐西蘭威靈頓確診病例和廢水中的新冠病毒基因組數目變化-在確診病例和廢水中檢測到的新冠病毒基因組平均拷貝數隨時間的變化，紅色虛線顯示在三個時段的廢水資料與確診病例相應尖峰的不同：
疫情高峰時期由於臨床檢測充足，確診病例與廢水資料約呈一致；低流行時期因人們對「戳鼻子」感到疲憊（或認為
不需要）、整體檢測能量趨緩，或是通報意願下降等因素，便出現廢水資料高峰遠超過確診的狀況。
（資料來源：https://esr-cri.shinyapps.io/wastewater）

整體而言，WWS 不僅補充了臨床監測，也提供民眾防疫環境背景資訊基礎。再加上只需要不到一克的樣本就能進行PCR，可大幅減少百萬人PCR檢驗的成本與時間，並可輔助民眾自主防疫時，做好自我風險再評估。