最近来自多所欧洲大学的研究表明，分析废水可以同时通知当局有关多种健康风险，从抗微生物药物耐药性到霍乱等。
在丹麦技术大学国家食品研究所（DTU National Food Institute）领导的一个项目中，来自11所欧洲大学和其他机构的研究人员创建了一种新的废水监测数据分析方法。这种方法有助于确定病原菌、病毒和抗微生物药物耐药性的来源——无论它们是来自人类、动物、工业还是环境。这种分析有可能同时识别出数千种威胁，例如抗微生物药物耐药性和霍乱细菌，这可能有助于阻止疾病爆发变成大规模流行。这些研究成果发表于《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。
研究人员对从五个主要城市（博洛尼亚、布达佩斯、哥本哈根、罗马和鹿特丹）七个废水处理设施收集的样本进行分析，这些样本的收集历时三年。
来自DTU国家食品研究所的助理教授帕特里克·蒙克（Patrick Munk）是本研究的通讯作者，他表示：“未经处理的废水越来越被视为监测大型城市人群匿名健康和疾病的重要资源。然而，从中获取有用数据并不简单，因为废水中含有来自各种来源（包括人类、动物、植物，甚至洗碗等家庭活动）的可识别和不可识别的细菌。”
此外，废水的成分受到季节性温度波动的影响。
研究人员正开始通过新开发的计算机程序来应对这些挑战。
DTU国家食品研究所遗传流行病学研究小组负责人和本研究的共同作者弗兰克·阿瑞斯特勒普（Frank Aarestrup）教授表示：“我们的研究表明，基于宏基因组的废水监测具有显著潜力。尽管这种方法的成本高于PCR检测，后者在 COVID-19 大流行期间表现出卓越的有效性，但PCR一次只能检测一种威胁。相比之下，基于宏基因组的监测可以同时评估数千种威胁。此外，随着时间的推移，每个样本的价值也在增加，因为历史数据能增强未来分析的准确性。”
可以想象一个监测系统，将基于宏基因组的废水监测与针对健康当局识别的可能出现的特定威胁的PCR检测相结合。
一项欧盟指令提高了该研究的相关性，要求所有主要欧洲城市开始监测废水中的抗微生物药物耐药性。在丹麦，国家血清研究所正在推动一项重要的欧洲合作，以实施这一废水监测。
软件将大量数据集组织成有趣的聚类
在2019年1月至2021年11月的三年时间里，从七个处理厂的进水口收集了278个废水样本，并在DTU进行了分析。研究人员分析了从这些样本中获得的数十亿DNA序列，这些序列重建为代表数千种细菌物种的基因组，包括1,334种之前未知的细菌。
这一数据分析采用了项目合作伙伴意大利博洛尼亚大学开发的软件。该程序识别出在时间上显示相似模式的物种并对其进行分类。
帕特里克·蒙克表示：“在我们的分析中，我们观察到废水中的细菌聚集成不同的组。这引发了关于这些聚集如何形成的问题。最初，我们怀疑它们可能代表微生物的合作，这使我们走上不同的道路。随后我们探讨了一些聚集是否由人类废物中的细菌组成，而这时我们取得了重大进展。”
其他聚类被认定为包括环境细菌，且在不同国家的处理厂中发现的另一组细菌可能源于通往这些设施的管道上的生物膜。
一旦通过软件分析识别出一些群体，研究人员发现任务变得更加容易。
帕特里克·蒙克解释道：“这个概念很简单——某些细菌始终来源于人类，而在分析中同步出现的细菌也可能来自人类源。这使我们能够长期识别出一致的物种群体。”
新方法显著提高了成功率
尽管研究人员以前分析过宏基因组，但他们尚未像当前的方法那样有效。
“在这项最新研究中，我们在废水中发现了1,334种新的细菌物种。通常，分析由1亿小DNA片段组成的宏基因组只会让我们识别出大约10% DNA的来源。然而，在这项研究中，我们已将对基因组的识别率提高到近70%,” 帕特里克·蒙克说。
检测新类型细菌的能力至关重要，因为这些细菌可能携带未知的抗微生物药物耐药性基因，而此方法可能揭示新的抗微生物药物耐药性来源。
本研究是观察性的；研究人员基于未处理废水样本中的细菌进行分析，没有操纵影响特定细菌存在的任何变量。因此，仍然存在一些不确定性，因为并非所有与人类相关的细菌都按预期方式聚集。下一阶段涉及创建一个合成数据集，研究人员知道其中存在的特定细菌种类，并可以主动修改条件以观察结果。
帕特里克·蒙克补充道：“虽然我们尚未为这种方法建立一个明确的成功率，但很明显，我们处于重大突破的边缘。我们必须继续完善该方法，以提高其准确性。”
什么是宏基因组？
所有生物体都拥有由DNA构成的遗传物质（基因组）。废水和其他样本中栖息着许多不同的微生物种类，包括细菌和病毒。当这些生物的混合DNA被提取时，生成的就是宏基因组，它就像是拼图的一组，而不仅仅是一个拼图。宏基因组可以提供有关哪些生物体存在及其相对丰度的见解，作为追踪致病细菌及其抗生素耐药性基因的有价值工具。每个样本中数百万个DNA片段可以通过超级计算机处理和分析，以获得更好的结果。
