Европейский опыт создания национальных систем эпидемиологии сточных вод. Часть 1. Сущность, эволюция и основные особенности (аналитический обзор)

Введение

Мониторинг циркуляции вирусов является важной частью системы здравоохранения развитых стран, которые в последние годы активно внедряют современные инновационные подходы и методы выявления биологических рисков. Один из таких подходов, основанный на методиках выявления различных биомаркёров в сточной воде для получения качественных и количественных данных, в том числе о коронавирусной инфекции, получил название «эпидемиология сточных вод (ЭСВ)»¹. Проводимые с помощью ЭСВ исследования способствуют раннему выявлению новых и вновь возникающих инфекций на популяционном уровне, предотвращению угрозы вспышек и эпидемий инфекционных болезней, локализации и снижению биологических рисков для здоровья населения до допустимого уровня.

Интерес для российских специалистов, работающих в этой области, представляют как сами методики, используемые для проведения аналитических исследований проб сточных вод в рамках ЭСВ, так и накопленный опыт уже функционирующих европейских национальных мониторинговых сетевых систем, а также результаты научно-исследовательских проектов по тематикам их создания и развития.

Цель исследования ‒ углублённое изучение опыта и инструментария европейских стран (на примере Германии, Франции, Италии и Ирландии) при создании и функционировании национальных систем ЭСВ.

Изучены научная литература и стратегические документы Германии, Франции, Италии и Ирландии в области эпидемиологии сточных вод. В результатах исследования отражены публикации с глубиной информационного поиска пять лет. Отбор источников осуществляли на основе критериев тематического соответствия, смысловой и функциональной значимости и актуальности научных статей и нормативных документов. Поиск литературных источников и документов проведён в базах данных (БД): на русском языке – eLIBRARY, CyberLeninka, на английском, немецком и французском языках – Web of Science, Scopus, PubMed, Google Scholar, Cochran Library, а также в национальных БД правительств и парламентов указанных стран. К основным методам исследования относятся: контент-анализ, систематизация материала, ретроспективный анализ (эволюция метода), системный подход (к изучению сетей мониторинга), сравнительный анализ (систем ЭСВ), обобщение (опыта).

Содержание и механизм эпидемиологического исследования сточных вод

Патогенные микроорганизмы появляются в организме инфицированного человека задолго до возникновения первых симптомов болезни и остаются в индивидууме в течение определённого периода, иногда довольно длительного. Так, вирус гепатита А присутствует в выделениях человека за 2–3 нед до появления первых симптомов. Коронавирус SARS-CoV-2 у инфицированного также начинает распространяться до проявления симптомов за 5–14 дней (при инкубационном периоде от 2 до 14 дней со средней составляющей 5,2 календарных дня). Эти данные особенно ценны для раннего предупреждения и принятия необходимых противоэпидемических мер [1–3].

Биомаркёры человека, в том числе вирусная РНК, могут указывать на уровень заболеваемости или распространения патогенов в популяции. Научные исследования, проводимые в разных странах мира, выявили наличие РНК (в частности, тяжёлого острого респираторного синдрома, вызываемого коронавирусом SARS-CoV-2) в физиологических жидкостях и выделениях человека (слизь, фекалии, слюна и мокрота). Патогенные микроорганизмы и продукты их распада накапливаются в выделениях человека и попадают в систему сточных вод. Анализ сточных вод на присутствие РНК любого патогенного организма даёт возможность использовать полученные результаты в качестве инструмента для изучения геномики вируса, эпидемиологии и распространённости болезни [4–7].

Эпидемиология сточных вод – методология, используемая для изучения биосубстратов, выделяемых организмом человека и попадающих в канализацию, с последующим составлением объективной картины образа жизни, питания, заболеваемости и экологических рисков для населения. Это стремительно развивающееся междисциплинарное направление объединяет:

• мониторинг инфекций с ранним выявлением вирусов (COVID-19, полиомиелит, гепатит А);
• контроль неинфекционных болезней (диабета, воспалительных процессов, патологий почек по белковым маркёрам и метаболитам лекарств);
• оценку образа жизни (объективные данные о потреблении алкоголя, табака, наркотиков и прочих психоактивных веществ, фармпрепаратов, а также о пищевых предпочтениях);
• мониторинг реального воздействия пестицидов и бытовой химии на популяцию с оценкой химических рисков, в том числе общей химической нагрузки на популяцию.

Механизм ЭСВ можно представить в виде трёх последовательных стадий: организационно-методической (начальной); лабораторно-диагностической и стадии принятия решений. Функционал стадий представлен в табл. 1.

Эволюция эпидемиологии сточных вод

В противоэпидемических целях обнаружение вирусных частиц в сточных водах используется достаточно давно. Первые шаги в области анализа сточных вод были сделаны британским врачом Джоном Сноу, применившим новаторский для своего времени метод в исследовании эпидемии холеры XIX века, исследовав связь между распространением холеры и загрязнением питьевой воды сточными водами в Лондоне в 1854 г. [8]. В 1923 г. российский учёный С.Н. Строганов выделил статистически значимое различие между содержанием белкового и аммонийного азота в стоках, показав, что состав сточных вод напрямую зависит от качества питания населения [4, 9]. Исследования с оценкой числа инфицированных полиовирусом во время вспышек полиомиелита через анализ бытовых сточных вод в канализации Нью-Йорка и Чикаго были реализованы в США в начале 40-х годов XX века.

Аналитические исследования тропической паразитарной болезни, вызываемой кровяными сосальщиками (трематодами) из рода Schistosoma (шистосома улиток), были проведены в 1954 г.: бразильские учёные анализировали пробы канализационной воды, содержащей яйца паразитов, у инфицированных людей в Северо-Восточной Бразилии.

Эволюционное развитие ЭСВ представлено в табл. 2.

В 1980 г. учёные начали исследовать сточные воды на наличие вируса гепатита и параллельно разрабатывать молекулярные методы мониторинга сточных вод [10]. В 2005 г. в реке По в Италии исследователи обнаружили кокаин и его метаболит бензоилэкгонин в образцах воды. К 2010 г. изучение сточных вод уже воспринималось экспертным сообществом как важный инструмент анонимного анализа биохимических параметров жизнедеятельности людей. В 2013 г. в Израиле были проведены исследования, в ходе которых в сточных водах были обнаружены норовирус, вирус гепатита А и полиовирус, что позволило использовать полученные данные в качестве средства раннего предупреждения соответствующих болезней [10, 11]. Исследования проводились для контроля инфекций, вызываемых вирусами гриппа, норовирусами, энтеровирусами, вирусом гепатита А, вирусами Денге и Зика и рядом других.

С 2016 г. Европейская ассоциация Sewage analysis CORe group – Europe (SCORE) публикует регулярные отчёты об исследованиях сточных вод для определения уровня употребления наркотиков в Европе. При этом SCORE объединила независимые лаборатории, занимающиеся эпидемиологией сточных вод, с целью общей координации усилий и выработки единых стандартов и протоколов исследований.

В дальнейшем методика ЭСВ продолжала совершенствоваться: когортные исследования были направлены на популяционную диагностику и прогнозирование. В 2017 г. норвежские учёные коррелировали выводы результатов исследований сточных вод с использованием когортных данных² телекоммуникационных сетей.

При наступлении эпидемии коронавируса в 2019 г. и последующем её перерастании в пандемию существовавшие в то время методы прогнозирования были основаны на лабораторном тестировании или самотестировании, что не позволяло выявлять бессимптомные случаи. При этом многие страны вообще отказывались от строгих требований к тестированию. В конце 2019 г. методика ЭСВ была адаптирована для измерения патогенов SARS-CoV-2. Так, голландские исследовательские группы изучали и демонстрировали присутствие вируса на станциях очистки сточных вод во время эпидемической волны SARS-CoV-2. С 2020 г. исследование сточных вод для мониторинга распространения SARS-CoV-2 на уровне популяции начинают применять во многих странах Европы и мира.

С 2021–2022 гг. в развитых странах создаются сетевые национальные системы ЭСВ (Германия, Франция, Великобритания, США). Отмечается тенденция к стандартизации национальных механизмов, способных отслеживать в сточных водах потенциальные биологические угрозы: различные варианты коронавируса, вирусы гриппа, устойчивые к антибиотикам бактерии или совершенно новые патогены. Идёт процесс создания и эксплуатации межгосударственных сетей ЭСВ-мониторинга в рамках Евросоюза.

На ранних этапах исследовательской деятельности с использованием методики ЭСВ как междисциплинарной медико-биологической области были задействованы такие специалисты, как химики-аналитики, молекулярные биологи, медицинские работники (эпидемиологи, инфекционисты, наркологи). В дальнейшем при усложнении и расширении технологических возможностей к процессу отбора и анализа проб стали привлекать технологов и операторов очистных сооружений, а для получения аналитической прогнозной информации – специалистов в области информационных и телекоммуникационных технологий, аналитиков.

В 2023 г. учёные из Невадского университета в Лас-Вегасе (США) разработали технологию анализа сточных вод с применением методов искусственного интеллекта (ИИ): исследовали 3700 проб сточных вод, собранных на очистных сооружениях в 2021–2023 гг. Результаты показали, что ИИ успешно выявлял различные варианты вирусов, обучившись на двух-пяти образцах. Этот метод значительно превосходил и сейчас превосходит многие существующие подходы, позволяя быстрее и точнее находить возбудителей болезней, в отличие от предыдущих методик, которые требовали глубокого анализа генетической структуры вирусов и клинических данных от уже протестированных пациентов.

Другая группа исследователей изучала данные о сточных водах 159 округов США, в которых проживает ≈ 100 млн граждан. Исследование показало, что с помощью системы ИИ, основанной на анализе проб сточных вод, содержащих COVID-19, можно точно предсказать число госпитализаций на срок от одной до четырёх недель [12].

Применение ИИ существенно расширило потенциал ЭСВ как эффективного метода раннего оповещения для систем здравоохранения. Примеры мировых исследований за последние два десятилетия с применением методики ЭСВ, направленных на выявление факторов риска и популяционных болезней, представлены в табл. 3 [13–15].

Французская национальная сеть Obépine

Ранние исследования французских специалистов показали, что геном SARS-CoV-2 выявлялся в сточных водах, поступающих из очистных сооружений в провинции Иль-де-Франс (регион центральной части Парижского бассейна, между реками Сена, Марна, Уаза). Мониторинг позволил в 2020 г. выявить вспышку инфекции, обнаружив коронавирус в сточных водах до выявления первых заболевших. Резкое снижение вирусной нагрузки в сточных водах Франции свидетельствовало о сокращении циркуляции вируса с момента введения противоэпидемических мероприятий. Первые сетевые анализы были проведены в марте 2020 г. Эта стратегия была направлена на измерение воздействия мер санитарного контроля (изоляция, комендантский час и вакцинация) и выявление любых вспышек эпидемии в масштабах страны.

Тогда же, в 2020 г., рабочая группа специалистов в области медицинской вирусологии, микробиологии, окружающей среды, гидрологии, моделирования и статистической математики предложила создать сеть Obépine – исследовательский консорциум, объединивший большое количество участников, нацеленных на создание эффективной системы мониторинга состояния здоровья населения с помощью анализа сточных вод [16]. Общая характеристика французского проекта по созданию консорциума Obépine представлена в табл. 4.

Для обеспечения мониторинга распространения вируса исследователи консорциума Obépine разработали математические модели, которые продемонстрировали корреляцию между отдельными показателями (частотой случаев болезней) и уровнем циркуляции вирусов в сточных водах. В начале 2021 г. был создан индикатор качества сточных вод на основе проб, взятых на ≈ 200 станциях очистки сточных вод. Сеть уже позволяла получать информацию о распространении вируса SARS-CoV-2 в водосборных бассейнах, охватывающих более 3% населения. До 31 октября 2021 г. проект финансировался Министерством солидарности и здравоохранения.

Измерения концентрации вируса, проводимые Obépine, предварительно корректировались с учётом характеристик источников сточных вод, возможности попадания в канализационную систему (не бытовых) атмосферных осадков, разбавляющих исследуемую воду, их количества, способного существенно исказить результаты. Чтобы получить сопоставимые значения для разных очистных сооружений, консорциум Obépine дополнительно выполнял масштабирование данных после сглаживания. При масштабировании учитывали максимальное количество вируса, обнаруженное во время волны эпидемии осенью 2020 г. во Франции, диапазон объёмов, очищаемых на очистных сооружениях, а также особенности лаборатории, в которой проводился анализ образца методом количественной ПЦР в реальном времени или методом цифровой ПЦР. Итоговый расчётный показатель (WWI, WasteWater Indicator) демонстрировал хорошие результаты по сравнению с соответствующими показателями заболеваемости [17].

Информация из созданной операционной сети Obépine использовалась в рамках специально разработанной геоинформационной платформы, на базе которой французские учёные и практики проводили прикладные изыскания в области состояния здоровья населения, распространяя свои исследования на другие патогены и химические вещества, обнаруженные в сточных водах. В целом консорциум Obépine в своей исследовательской деятельности в области анализа фекалий и осадка сточных вод добился значимых практических результатов в оценке рисков для здоровья.

В июле 2024 г. Obépine объявил о запуске проекта Obépine+ в рамках плана «Франция 2030»³. Проект Obépine+ направлен на создание национальной платформы исследований и разработок в области эпидемиологии с использованием сточных вод, которая интегрируется в национальную систему профилактики будущих инфекционных и патогенных болезней высокого риска (см. табл. 4). Obépine+ планирует собрать, обработать, проанализировать и хранить в аквабанке 7500 проб парижской канализации и очистных сооружений в Парижском регионе (Иль-де-Франс) в течение следующих пяти лет. Это позволит исследовать различные вирусы и инфекционные болезни, циркулирующие среди населения, а также предвидеть потенциальные вспышки, которые могут произойти в будущем.

По инициативе Института биомедицинских исследований вооружённых сил Франции IRBA его эксперты, основываясь на результатах работы сети Obépine, для исследований SARS-CoV-2 на авианосце «Шарль де Голль» с учётом конфигурации системы сбора сточных вод корабля разработали методику комплексного отбора проб из корабельных резервуаров для сбора сточных вод [18]. Исследования проходили в 2021 г. в два этапа: эпидемическая ситуация первого этапа (февраль – май 2021 г.) была связана с появлением в декабре 2020 г. альфа-варианта вируса; второй этап (ноябрь – декабрь 2021 г.) прошёл в разгар дельта-волны SARS-CoV-2 [19].

Для обеспечения мониторинга была создана специальная лаборатория молекулярной биологии по исследованию «серой воды» (душ, мытьё посуды, стирка) и «чёрной воды», поступающей из бортовых туалетов корабля. Отбор проб «чёрной воды» был более сложен, поскольку ёмкости для сбора находились в разреженном состоянии; они не имели дренажной системы и регулярно опорожнялись автоматически, как только достигался предельный уровень. Протокол действий состоял из четырёх этапов:

1. отбор проб из «чёрной воды»;
2. извлечение нуклеиновых кислот путём перемешивания/осаждения и улавливания;
3. амплификация методом RT-кПЦР (quantitative PCR с обратной транскрипцией) идентифицированных мишеней (генов E и RdRp) в геноме SARS-CoV-2;
4. анализ данных и сравнительный мониторинг с течением времени. Был подтверждён ранее прогнозируемый характер вирусной нагрузки в «чёрных водах» и выявлены новые заражённые моряки корабля.

Заключение

Эволюционное развитие ЭСВ-метода демонстрирует путь от единичных экспериментов, связанных с необходимостью контролировать одну болезнь, к системному универсальному мониторингу общественного здоровья, способному оперативно реагировать на новые вызовы и угрозы. Сегодня эпидемиология сточных вод – это мощный инструмент оценки влияния факторов окружающей среды на здоровье человека. Европейские ЭСВ-системы, построенные на современных технологиях, вносят существенный вклад в функционирование национальных систем мониторинга биологических рисков, позволяя проводить прогностическую оценку состояния когортных групп и населения в целом, выявляя не только конкретные патогены или опасные вещества, но и определяя популяционное состояние здоровья населения. Французский опыт создания и функционирования национальной системы эпидемиологии сточных вод базируется на консолидированных усилиях мультидисциплинарного консорциума, объединяющего инновационные подходы и традиционные компетенции сотрудников медицинских, исследовательских и научно-образовательных организаций, лабораторий, служб очистных сооружений и управления водными ресурсами и др.

¹ В иностранных англоязычных научных изданиях используется термин «Wastewater-based epidemiology, WBE».

² Когортные данные – информация, полученная в результате когортного анализа (метод исследования поведения групп пользователей, объединённых по общему признаку в определённый период).

³ Plan stratégique «France 2030». https://www.elysee.fr (дата обращения: 24.03.2026 г.).