智能下水道：發(fā)現(xiàn)你腸道中的秘密

Newsha Ghaeli 最近會(huì)下到下水道里，從奔流的下水道水流中抓起軟管。在拉起軟管的時(shí)候，她會(huì)發(fā)現(xiàn)有一團(tuán)廁紙掛在軟管頭上來回晃悠，還有幾滴臟水濺到了她暴露在面具外的頭發(fā)上。這時(shí)一名馬薩諸塞州坎布里奇市環(huán)衛(wèi)工人安慰她：“一點(diǎn)點(diǎn)臟東西，沒事。”

Ghaeli 是一名建筑師，也是MIT的研究員。從最近一段時(shí)間開始，她負(fù)責(zé)一項(xiàng)從東坎布里奇街區(qū)下水道中進(jìn)行 24 小時(shí)取樣的任務(wù)。該團(tuán)隊(duì)每過一個(gè)小時(shí)就會(huì)從下水道中抽取半升污泥。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在為一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目打基礎(chǔ)，該項(xiàng)目希望能通過追蹤某一城市居民的生物和化學(xué)廢物，來了解整個(gè)城市的健康狀況。最終，他們將在下水道里放置自動(dòng)取樣器，讓坎布里奇市的下水道變成“智能下水道”，該市的公共衛(wèi)生官員也能借此研究全市的公共微生物群。

該項(xiàng)目的研究主管 Yaniv Jacob Turgeman 表示：“本項(xiàng)目希望能尋找到與我們?nèi)粘Ｉ罘绞较嚓P(guān)的污水模式。我們希望這項(xiàng)目能為公共衛(wèi)生部門提供有意義的可實(shí)施的洞見。”

這一項(xiàng)目的代號(hào)為“地下世界”（Underworlds），獲得了美國(guó)政府 400 萬美元的撥款支持，也受到了坎布里奇市的歡迎。坎布里奇市環(huán)境衛(wèi)生局長(zhǎng) Sam Lipson 說道：“如果能以更接近實(shí)時(shí)的速度獲得信息，就能聚集資源，在問題惡化之前解決它。公共衛(wèi)生部門以前通常無法獲得這類指標(biāo)。”

自動(dòng)化的地下世界

在過去，這種“下水道傳染病學(xué)”主要用于監(jiān)測(cè)人口級(jí)別的非法藥物使用趨勢(shì)。比如，歐洲最近對(duì)歐洲大陸 42 個(gè)城市的下水道污水進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大城市的人最喜歡在周末使用可卡因等毒品，而大麻和冰毒的使用在全部 42 個(gè)城市中貫穿整周。

該團(tuán)隊(duì)也會(huì)測(cè)試藥物（非法藥物和處方藥），但他們打算更進(jìn)一步。這個(gè)由計(jì)算微生物學(xué)家 Eric Alm 和建筑師、工程師 Carlo Ratti 領(lǐng)導(dǎo)的計(jì)劃將甄別流感、諾瓦克等病毒，以偵測(cè)坎布里奇市突發(fā)疫情的早期跡象。他們還會(huì)對(duì)細(xì)菌 DNA 進(jìn)行測(cè)序，以識(shí)別食源性致病菌。他們還會(huì)尋找生物標(biāo)志物，即人體健康和疾病諸多方面的生化指標(biāo)。

率先提出用下水道污水追蹤社區(qū)健康想法的美國(guó)環(huán)保局化學(xué)家 Christian Daughton 說道：“MIT的這個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)非常大，也很超前。如果這個(gè)項(xiàng)目取得成功，將對(duì)快速廉價(jià)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公共健康產(chǎn)生重大影響。”

這些研究人員還有許多取樣方面的問題需要考慮。全天取樣應(yīng)該能確定一天中獲取最強(qiáng)人類信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)。Alm 解釋道：“我們主要想獲得沖馬桶的水，而不是雨水、洗澡水或廚房污水。”

下一階段將更加自動(dòng)化。Ratti 和他在MIT感知城市實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)目前正在設(shè)計(jì)下水道井蓋大小、跟人腿一樣高的機(jī)器人，讓它們?cè)谙滤乐腥印Ｍㄟ^使用一款定制的智能手機(jī)應(yīng)用，研究人員們可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人取樣，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)詳盡的下水道取樣信息系統(tǒng)中。這些機(jī)器人的功能主要是收集，不過研究人員們希望能嵌入測(cè)量溫度、水流和其他參數(shù)的傳感器。

他們計(jì)劃在未來幾個(gè)月里到坎布里奇市的 10 處地點(diǎn)測(cè)試這些機(jī)器人，以便了解全城各個(gè)地方的污水信號(hào)。在今年晚些時(shí)候，他們還會(huì)在科威特設(shè)置一個(gè)類似的平臺(tái)。參與這一項(xiàng)目的威斯康星大學(xué)密爾沃基分校微生物生態(tài)學(xué)家 Ryan Newton 說道：“科威特項(xiàng)目的規(guī)模相當(dāng)驚人。他們將對(duì)本國(guó)人口的變化有非常好的了解。”

超過三分之一的科威特兒童超重。科威特公共衛(wèi)生官員感興趣的是，下水道污水是否能幫助衡量專為防止肥胖設(shè)計(jì)的新政策的影響。這一想法源于 Newton 今年 2 月在 mBio 期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究。Newton 及其同事在一年中分析了美國(guó) 31 個(gè)州中 71 個(gè)城市的污水處理廠的水樣。由于腸道細(xì)菌組合與健康密切相關(guān)，Newton 的團(tuán)隊(duì)能以近 90% 的精度預(yù)測(cè)某個(gè)微生物群落所屬的城市的居民是否超重。如果能從科威特獲得足夠多的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，污水分析就能發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)公共衛(wèi)生政策是否對(duì)人們的代謝健康產(chǎn)生影響。

類似的項(xiàng)目正在全世界范圍內(nèi)加緊進(jìn)行。紐約大學(xué)生物學(xué)家 Jane Carlton 將在 6 月舉辦的 Microbes In The City（城市微生物）會(huì)議上參加討論。她和她的同事們正在從事一個(gè)為期兩年的項(xiàng)目，描繪紐約下水道污水中細(xì)菌、病毒和單細(xì)胞原生生物的特征。Carlton 也在考慮在上海開展一個(gè)下水道污水取樣項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比。

Alm 表示，“下水道微生物學(xué)”的可能性無限，關(guān)鍵是要知道哪些可能性可行。他說道：“我們利用這一平臺(tái)可以做非常多事情。把它建設(shè)好就知道哪些可行了。”

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