Выявление вспышек COVID-19 с помощью мониторинга сточных вод

Правительствам, пытающимся отслеживать вспышки COVID-19, обычно приходится идти на трудные компромиссы.

Масштабное тестирование отдельных членов населения является дорогостоящим и сложным с точки зрения логистики: ограниченное лабораторное оборудование и медицинское оборудование делают практически невозможным тестирование всего населения страны. Более дешевая и упрощенная с точки зрения логистики стратегия - проанализировать сточные воды. Поскольку COVID-19 и другие вирусы могут быть обнаружены в человеческих экскрементах, очистные сооружения предоставляют агрегированную информацию.

В настоящее время мониторинг сточных вод выполняется медленнее и менее точно, чем индивидуальное тестирование: для получения результатов требуется больше времени, и сложнее определить точное место, где произошла вспышка.

Но у нас уже есть почти все необходимые знания, чтобы сделать мониторинг сточных вод более быстрым и точным. Мы могли бы обнаруживать вспышки COVID-19 (и других вирусов) и реагировать на них гораздо более эффективно, если:

  • Схема набора открытых стандартов;
  • Разработка миниатюрного оборудования; и
  • Создание совместимых платформ данных.

Недавно мы обрисовали в общих чертах решение, состоящее из пяти частей, которое можно масштабировать до мониторинга COVID-19 на всем континенте или даже во всем мире. Поскольку мы считаем, что эти рекомендации могут принести пользу многим людям, странам и организациям, вот краткое изложение выявленного нами потенциала.

Как работает мониторинг сточных вод

Системы сточных вод во всем мире работают аналогично. Вода сбрасывается из индивидуальных домов в более крупную централизованную систему трубопроводов. Затем сточные воды попадают в центральную водоочистную станцию.

Вирусы часто можно обнаружить в фекалиях инфицированного человека. Вот почему анализ концентрации вируса, обнаруженный на конкретном водоочистном сооружении, позволяет нам оценить количество инфицированных людей на территории, обслуживаемой заводом.

Но сточные воды могут попасть на централизованные очистные сооружения в течение нескольких дней или недель, поскольку часто на этом пути проходят промежуточные этапы очистки. Таким образом, мониторинг сточных вод на предприятии часто означает, что, хотя мы знаем, что произошла вспышка и насколько она была большой, мы не знаем точно, когда или где в водосборе. области, в которой она возникла (специалисты называют это плохим пространственным и временным разрешением).

По этой причине мониторинг сточных вод часто упускается из виду как потенциальное решение для обнаружения вирусных вспышек.

Потребуются крупномасштабные скоординированные усилия для улучшения существующих технологий и процессов мониторинга сточных вод. Но, учитывая ценность точного выявления новых вирусных вспышек, а также по сравнению с затратами и усилиями, необходимыми для увеличения масштабов индивидуального тестирования, становится ясно, что эту работу необходимо проделать.

Наше решение, состоящее из пяти частей, для улучшения мониторинга сточных вод

Предлагаемое нами решение из пяти частей для улучшения и масштабирования мониторинга сточных вод включает:

  1. Стандартизированные инструкции по настройке оборудования для мониторинга и взятию проб. Все стороны должны согласиться с этим набором стандартов, потому что для получения сопоставимых данных все должны делать это одинаково.
  2. Эталонные методы для подготовки образцов и количественного определения вирусов: даже при наличии стандартного руководства по настройке оборудования для мониторинга все должны договориться о том, как готовить образцы в лаборатории и как измерять концентрацию конкретных вирусов в сточных водах. .
  3. Миниатюрные приборы для измерения сточных вод ближе к источнику: нам необходимо производить меньшие версии определенного оборудования для мониторинга.
  4. Совместимые платформы данных для обмена данными между отделами и странами: их необходимо разработать.
  5. Прогнозный анализ с машинным обучением: это позволит нам обнаруживать новые вирусы или новые вспышки известных вирусов достаточно рано, чтобы координировать соответствующие ответные меры.

Некоторые из этих компонентов уже существуют или уже разрабатываются. Мы подробно рассматриваем каждую из этих пяти рекомендаций, чтобы показать где мы находимся и где мы могли бы быть (через 3–24 месяца). .

Решение 1. Рекомендации по мониторингу

Разработка набора руководящих принципов для очистных сооружений о том, как извлекать образцы и оптимизировать их процессы мониторинга, будет способствовать обеспечению согласованности данных на всех последующих этапах.

Где мы находимся:

  • Мы уже используем мониторинг сточных вод для анализа и описания вспышек ретроспективно. В разных городах это делается немного по-разному, и многие шаги выполняются вручную. Например, существует два разных метода отбора проб сточных вод:
    Отбор проб: отбор одной пробы в один момент времени;
    Составной отбор проб : сбор и объединение образцов в течение 24 часов.
  • Текущие процессы часто требуют присутствия высококвалифицированных специалистов на каждой очистной установке.
  • Для получения полезных результатов могут потребоваться недели, а данные не всегда сопоставимы между заводами или странами.

Где мы могли бы быть:

  • Благодаря улучшенному оборудованию и процессам мониторинга мы могли проактивно анализировать сточные воды, чтобы предсказать предстоящие вспышки.
  • Автоматизируя как можно больше шагов, стандартизируя оборудование и протоколы и обеспечивая согласованность между заводами и странами, мы могли бы снизить стоимость и улучшить качество этого мониторинга.

Решение 2. Эталонные методы подготовки образцов и количественного определения вирусов

Создание стандартных образцов и протоколов для лабораторий обеспечит согласованность подготовки образцов и измерений концентрации.

Где мы находимся:

  • Мы знаем, что можем обнаруживать вирусы, в том числе SARS и SARS-CoV-2, в сточных водах, но есть несколько способов измерения образцов и количественной оценки концентраций вирусов.
  • Не всегда понятно, что такое «нормально».
  • Образцы могут быть приготовлены по-разному, что может повлиять на результаты и затруднить сравнение данных между лабораториями.

Где мы могли бы быть:

  • Создавая стандартизированные протоколы для подготовки образцов и количественного определения вирусов, а также согласовывая набор эталонных образцов, разные лаборатории в разных странах могут обмениваться данными и сравнивать их. Эта стандартизация сделает возможным более быстрый, более чувствительный анализ - оба важных фактора, особенно для системы раннего предупреждения.

Решение 3. Миниатюрные приборы для сбора и нормализации образцов кала.

Производство меньших версий оборудования для мониторинга, предназначенного для работы на крупных очистных сооружениях, поможет нам более точно и экономично определять вспышки.

Где мы находимся:

  • Станции очистки сточных вод собирают усредненную информацию по всей площади водосбора. Существуют логистические проблемы при воспроизведении этого процесса отбора проб на более детальном уровне, поскольку часть оборудования предназначена для крупных очистных сооружений.
  • Это означает, что вспышка в меньшей части определенного водосборного бассейна может быть «сглажена» средним значением для большей площади, что затрудняет обнаружение вспышки.

Где мы могли бы быть:

  • Разработка миниатюрного оборудования для отбора проб позволит нам проводить более детальные измерения.
  • Более подробные измерения могут сказать нам, где именно произошла вспышка - вплоть до городского квартала или даже конкретного здания.
  • Не дожидаясь, пока сточные воды попадут на централизованную установку, мы также могли бы получать эти измерения быстрее, что дало нам лучшее пространственное и временное разрешение, то есть позволяло нам действовать. чтобы обуздать или даже предотвратить вспышку.

Решение 4. Разработка совместимой платформы для интеграции данных об окружающей среде и здоровье.

Единая платформа данных, используемая для разных отделов, ролей и городов, позволит всем получить одну и ту же страницу.

Где мы находимся:

  • Многие ведомства и страны уже более широко обмениваются своими данными. Это позволяет наладить определенное сотрудничество между другими странами и ведомствами и даже позволяет представителям общественности напрямую получать информацию.
  • Департаменты здравоохранения и управления водными ресурсами не всегда эффективно взаимодействуют друг с другом, и иногда трудно использовать выводы, полученные в результате управления сточными водами, для принятия решений, связанных со здоровьем.
  • Странам по-прежнему сложно обмениваться данными.

Где мы могли бы быть:

  • Создание совместимой платформы данных для обработки и объединения показателей из отделов управления водными ресурсами (например, всплеск вирусной концентрации) и департаментов здравоохранения (например, показателей инфекций и госпитализаций) поможет нам принимать более эффективные решения.
  • Поощряя несколько городов использовать одну и ту же платформу, мы могли легко увидеть все, от «высоты птичьего полета» до вспышки болезни по определенному почтовому индексу.
  • Исследователи, инженеры, политики и лица, принимающие решения, могут получать свои данные из надежного центрального «источника истины».

Решение 5: прогнозная аналитика

Мы можем использовать машинное обучение, чтобы автоматически прогнозировать, когда и где произойдут вспышки.

Где мы находимся:

  • Мониторинг сточных вод в настоящее время слишком медленный, чтобы быть полезным для системы раннего предупреждения.
  • Даже если бы все вышеперечисленные решения были реализованы, все равно потребуется время, чтобы собрать и проанализировать необходимые нам образцы и данные.
  • В настоящее время мы используем эти данные в основном для ретроспективного анализа.

Где мы могли бы быть:

  • Используя передовое машинное обучение, мы можем найти в сточных водах новые закономерности, указывающие на вспышку, даже до того, как пациенты впервые сообщат о симптомах.
  • Мы можем использовать машинное обучение для корректировки факторов, влияющих на наши измерения, таких как время суток, день недели или даже погода - все это влияет на количество людей в зоне охвата в любой момент времени.
  • Метагеномный анализ также поможет нам обнаружить новые вирусы. Мы можем отслеживать новую вирусную ДНК, которая ранее не обнаруживалась в сточных водах, и сопоставлять ее с известными вирусами для выявления потенциально опасных вспышек новых мутаций.

Примеры перспективных проектов мониторинга сточных вод

Хотели бы вы привезти эту технологию в свой город?

Если вы занимаетесь управлением водными ресурсами или мониторингом вирусных эпидемий и хотите обсудить внедрение этой технологии в ваш город, мы будем рады поговорить. Если вы житель, которому было бы выгодно внедрить эту технологию в вашем городе, поделитесь этой статьей со своими представителями.

Закажите звонок нашему генеральному директору, если вы хотите обсудить использование машинного обучения для мониторинга состояния здоровья.