Phát triển chiến lược lấy mẫu giám sát nước thải

Tổng quan về chiến lược lấy mẫu

Chiến lược lấy mẫu giám sát nước thải liên quan tới COVID-19 nên được định hướng theo nhu cầu y tế công cộng tại tiểu bang, bộ lạc, địa phương và vùng lãnh thổ có sự tham gia từ các nhà máy xử lý nước thải. Dữ liệu giám sát nước thải nhằm bổ sung cho các chỉ báo giám sát COVID-19 khác nhằm cung cấp thông tin cho các hành động về y tế công cộng. Các biện pháp can thiệp hoặc hành động y tế công cộng không nên chỉ dựa vào dữ liệu về nước thải. Chiến lược lấy mẫu nên cân bằng các nguồn lực có sẵn và năng lực kiểm nghiệm cùng các nhu cầu dữ liệu y tế công cộng và có thể phải được cập nhật theo thời gian với các nhu cầu cầu về y tế công cộng và tri thức khoa học đang thay đổi.

Việc phát triển chiến lược lấy mẫu giám sát nước thải liên quan tới COVID-19 bao gồm ba bước:

1. Xác định nhu cầu dữ liệu về y tế công cộng. Nhu cầu dữ liệu y tế công cộng tùy thuộc vào tình trạng các chỉ báo y tế có sẵn khác và tình hình đại dịch tại địa phương. Dựa vào tình hình khoa học hiện tại, việc giám sát nước thải có thể sử dụng để hỗ trợ các mục tiêu ứng phó sau:
   • Phát hiện sự hiện diện của COVID-19 trong một nơi tập trung nước thải, có khả năng sớm hơn so với giám sát ca bệnh đã thiết lập. Vi-rút đã được phát hiện trong nước thải vài ngày trước khi có các ca bệnh được báo cáo trong cộng đồng. Việc nắm bắt được sự hiện diện của vi-rút trong nước thải có thể là chỉ báo quan trọng khi theo dõi các cộng động có nguy cơ cao mà không có các bệnh nhân đã biết. Tuy nhiên, việc không phát hiện được RNA vi-rút trong nước thải không thể dùng để loại bỏ sự hiện diện của việc lây nhiễm bệnh dịch trong cộng đồng.
   • Theo dõi các xu hướng về COVID-19 trong một phân khu, bao gồm các ca bệnh được báo cáo và tình hình lây nhiễm chưa được báo cáo. Dữ liệu nước thải đã phân tích có thể cung cấp xu hướng về sự tập trung của SARS-CoV-2 theo thời gian. Các xu hướng về nồng độ vi-rút trong nước thải đã cho thấy dẫn dắt các xu hướng trong các ca bệnh được báo cáo mới trong một nơi tập trung nước thải theo thời gian. Việc dùng giám sát nước thải là chỉ báo hàng đầu về các xu hướng của COVID-19 có thể hữu ích khi các xu hướng về số ca bệnh mới dao động hoặc để đánh giá về những tác động có thể có của các nỗ lực giảm thiểu trong cộng đồng.

   Hiện thời không thể dùng nồng độ SARS-CoV-2 RNA trong nước thải để xác định tổng số người nhiễm bệnh trong cộng đồng hoặc phần trăm dân số bị nhiễm bệnh. Có thể cần dữ liệu về nồng đồ SARS-CoV-2 trong phân của người nhiễm bệnh để có thể hiểu được mối quan hệ giữa nồng độ SARS-CoV-2 RNA trong nước thải và số người bị nhiễm bệnh trong một nơi tập trung nước thải.

2. Đánh giá năng lực kiểm nghiệm và lấy mẫu nước thải. Khi đánh giá năng lực kiểm nghiệm và lấy mẫu nước thải, điều đặc biệt quan trọng là nên bao gồm những người có kiến thức chuyên sâu về các hệ thống nước thải và vi sinh môi trường. Các phương thức lấy mẫu và định lượng đúng, chính xác mức RNA vi-rút trong nước thải thể hiện sự phát tán vi-rút trong một cộng đồng vẫn còn đang trong quá trình phát triển. Vì lý do này, có năng lực xét nghiệm hạn chế trên khắp Hoa Kỳ và phần lớn trong số đó được đặt tại các tổ chức học thuật thiếu năng lực giám sát kéo dài. Việc sử dụng hiệu quả năng lực kiểm nghiệm nước thải hạn chế sẽ đòi hỏi cân bằng độ bao phủ dân cư và thông tin xu hướng kịp thời đòi hỏi lấy mẫu thường xuyên hơn. Các vấn đề về chuỗi cung ứng cũng có thể hạn chế năng lực kiểm nghiệm và nên được đánh giá trước khi lựa chọn một phương thức kiểm nghiệm.
3. Phát triển kế hoạch lấy mẫu. Giải quyết các câu hỏi sau trong kế hoạch lấy mẫu của quý vị:
   • Nơi lấy mẫu?
   • Tần suất lấy mẫu?
   • Lấy mẫu gì?
   • Cách lấy mẫu?
   • Cách thu thập, bảo quản và vận chuyển mẫu an toàn?

Nơi lấy mẫu

Giám sát nước thải cộng đồng

Việc lấy mẫu nước thải vì SARS-CoV-2 khi đi vào nhà máy xử lý (gọi là đầu vào chưa được xử lý) được dùng để đánh giá xu hướng trong tình hình lây nhiễm trong cộng đồng có góp nước thải vào hệ thống nước thải. Chọn số nhà máy xử lý cho việc giám sát bệnh từ nước thải mức cộng đồng dựa vào nhu cầu dữ liệu y tế công cộng trong khu vực và tình trạng khả dụng về nguồn lực. Các tỉ lệ và xu hướng về COVID-19 trong cộng đồng, sư phân bổ về dân cư và đặc tính của hệ thống thoát nước thải cũng có thể tác động tới việc lựa chọn của quý vị.

Các nhà máy xử lý nước thải có thể được lựa chọn cho việc giám sát nước thải cộng đồng để:

• Bao gồm một tỉ lệ phần trăm dân số nhất định.
• Cung cấp dữ liệu về các cộng đồng có nguy cơ cao hơn về COVID-19 hoặc nhóm có nguy cơ cao mắc bệnh nghiêm trọng vì COVID-19.
• Cung cấp dữ liệu về các cộng đồng nơi việc thực hiện kịp thời các xét nghiệm lâm sàng COVID-19 không được sử dụng đúng mức hoặc không có sẵn.
• Thể hiện một số nơi tập trung nước thải phục vụ một lượng lớn hơn dân cư nối kết với nhau, như các khu vực đô thị có mật độ dân cư đông.

Trước khi lựa chọn nhà máy xử lý nước thải để giám sát nước thải cho cộng đồng, điều đặc biệt quan trọng là cần tham vấn với các kỹ sư về nước thải và các quản lý tiện ích để hiểu rõ:

• Dân cư và khu vực địa lý do dịch vụ tiện ích đó phục vụ
• Mức đóng góp đáng kể của các loại đầu vào chất thải (công nghiệp, thương mại, dân cư)
• Các yếu tố vận hành có thể tác động tới việc phát hiện ra SARS-CoV-2 (vd. xử lý trước nước thải đầu vào hoặc chuyển hướng nước thải để điều chỉnh đầu dòng chảy của địa điểm lấy mẫu)
• Các địa điểm lấy mẫu có sẵn tại nhà máy xử lý
• Năng lực của tổ chức cung cấp dịch vụ tiện ích cho việc thu thập mẫu, ghi tài liệu và vận chuyển
• Tình trạng khả dụng của siêu dữ liệu tiện ích cần có cho việc minh giải thông tin về y tế công cộng (vd. đo lường lưu lượng đầu vào, đo lường chất lượng nước thực thể/hóa chât, tệp cấu trúc dữ liệu của khu vực dịch vụ)

Giám sát nước thải mục tiêu

Giám sát nước thải mục tiêu đòi hỏi lấy mẫu nước thải từ đầu dòng trong mạng lưới nước thải (vd. trạm bơm dâng, cầu chặn, hố ga). Giám sát nước thải mục tiêu có thể cung cấp hiểu biết rõ hơn về cách thức lây nhiễm SARS-CoV-2 được phân bổ như thế nào trong một nơi tập trung nước thải. Tuy nhiên, hiện có ít dữ liệu thể hiện việc áp dụng phương thức này.

Khi quyết định liệu việc giám sát nước thải mục tiêu có hữu ích đối với hành động y tế công cộng hay không, điều quan trọng là cần cân nhắc các vấn đề sau:

• Nồng độ SARS-CoV-2 RNA biến đối nhiều hơn ở phần thượng nguồn từ nhà máy xử lý nước thải so với đầu vào của nhà máy vì nước thải đầu nguồn có ít thời gian hòa trộn và chứa phân của ít người hơn.
• Việc tiếp cận các đường cống nước thải chỉ phục vụ nhóm dân cư mục tiêu dự kiến có thể đòi hỏi cần phải thay đổi về cơ sở hạ tầng hoặc có thể không làm được.
• Tùy vào quy mô của dân số mục tiêu, việc tiến hành giám sát nước thải mục tiểu hiệu quả có thể tốn kém hơn và tạo ra thách thức về mặt hậu cần so với việc giám sát ca bệnh.

Tần suất lấy mẫu

Tần suất lấy mẫu nước thải tùy vào cách thức sử dụng dữ liệu cho y tế công cộng và tỉ lệ bệnh COVID-19 trong cộng đồng. Với tần suất kiểm nghiệm đủ mức, việc kiểm nghiệm nước thải có thể dùng để theo dõi các xu hướng theo thời gian. Các mẫu đơn lẻ hoặc việc lấy mẫu không thường xuyên (vd. hàng tháng) sẽ không thể có đủ thông tin thiết lập các xu hướng nhưng có thể được dùng để thiết lập sự hiện diện của COVID-19 trong một cộng đồng.

Nếu mục tiêu giám sát nước thải là để sàng lọc sự hiện diện của SARS-CoV-2 trong nước thải, việc lấy mẫu một lần mỗi tuần có là vừa đủ. Nếu mục tiêu là để chỉ báo sớm về xu hướng nhiễm bệnh, việc giám sát sẽ cần tối thiểu ba điểm lấy mẫu trong một giai đoạn xu hướng quan tâm.  Hiện có rất ít dữ liệu mô tả nồng độ nước thải có thể thay đổi nhanh như thế nào trong các tình huống bệnh dịch khác nhau.

Cân nhắc những vấn đề sau khi xác định tần suất lấy mẫu tại một địa điểm cụ thể:

• Cần có tối thiểu ba mẫu để phát hiện xu hướng theo thời gian. Thời gian giữa các mẫu nước thải liên tục xác định độ dài thời gian tối thiểu theo đó có thể phát hiện một xu hướng. Ví dụ, nếu mẫu được thu thập hai lần một tuần, 8 ngày sẽ là khoảng thời gian tối thiểu để có thể xác nhận một xu hướng.
• Năng lực xét nghiệm phòng thí nghiệm và tình trạng thiếu chuỗi cung ứng có thể hạn chế tần suất lấy mẫu tối đa.
• Việc lấy mẫu một lần sẽ không cung cấp đủ dữ liệu có thể hành động ngoài sự hiện diện của tình trạng lây nhiễm SARS-CoV-2 trong nơi tập trung nước thải đó.

Lấy mẫu gì

Loại mẫu là một yếu tố cân nhắc quan trọng cho việc lấy mẫu đại diện và sẽ tùy thuộc vào vị trí thu thập mẫu và các yếu tố cụ thể của nhà máy xử lý nước thải đó. Tham vấn chặt chẽ với nhân viên nhà máy xử lý để xác định các loại mẫu thích hợp sẽ thể hiện tốt nhất dân số mục tiêu. Nên thu thập các mẫu tại những địa điểm trước khi có bổ sung hóa chất hoặc hòa trộn các dòng thải khác tại nhà máy xử lý nước thải.

Có hai loại mẫu giám sát nước thải

1. Nước thải chưa qua xử lý: Nước thải chưa qua xử lý bao gồm nước thải từ việc sử dụng trong hộ gia đình hoặc cho tòa nhà (vd. toa-lét, vòi hoa sen và bồn rửa ), có chứa chất thải phân người cũng như các chất thải từ các nguồn không thuộc hộ gia đình (vd. nước mưa, sử dụng trong công nghiệp). Nước thải chưa qua xử lý có thể được lấy mẫu từ đầu vào nhà máy xử lý nước thải (trước khi tiến hành xử lý chính) hoặc ở thượng nguồn trong mạng lưới thu gom nước thải. Những thay đổi trong nồng độ SARS-CoV-2 RNA trong các mẫu nước thải thu gom từ đầu vào nhà máy xử lý nước thải đã cho thấy sự tương quan giữa các xu hướng trong các ca bệnh đã được báo cáo. Trong hầu hết các trường hợp, nước thải chưa qua xử lý sẽ có thể cần cô đặc trước khi chiết xuất RNA. Số lây nhiễm cần thiết để phát hiện ra vi-rút trong nước thải không cô đặc rất khó để xác định vì chuyện này phụ thuộc vào cả giới hạn phát hiện của phương pháp và số vi-rút có trong phân, đây là những vấn đề vẫn có rất ít dữ liệu.
2. Bùn thải sơ cấp: Bùn thải sơ cấp bao gồm các chất rắn lơ lửng tách khỏi nước thải trong quy trình loại bỏ chất rắn ("lắng") đầu tiên tại nhà máy xử lý nước thải. Bùn thải sơ cấp khác hẳn so với bùn thải thứ cấp sau lần xử lý ban đầu. Không dùng bùn thải thứ cấp cho việc giám sát nước thải. Những thay đổi trong nồng độ SARS-CoV-2 RNA trong các mẫu bùn thải sơ cấp đã cho thấy sự tương quan giữa các xu hướng trong các ca bệnh đã được báo cáo. Điểm thuận lợi của các mẫu bùn thải thứ cấp so với nước thải chưa qua xử lý là nồng độ SARS-CoV-2 trong bùn thải, làm giảm lượng mẫu cần có để phát hiện vi-rút và có thể loại bỏ nhu cầu cô đặc mẫu trước khi tiến hành định lượng. Tuy nhiên nồng độ SARS-CoV-2 RNA có trong bùn thải không biểu thị đặc điểm rõ nét. Các mẫu bùn thải cũng có thể thể hiện các thách thức cần được đánh giá cho từng nhà máy xử lý nước thải, như các loại hóa chất được thêm vào nhà máy xử lý, nồng độ tăng của hợp chất có thể ảnh hưởng tới các phương thức của phòng thí nghiệm hoặc việc bổ sung các dòng chất thải đã tái chế từ các khâu khác của nhà máy xử lý.

Lựa chọn lại mẫu

Nước thải chưa qua xử lý và bùn thải sơ cấp đều là các loại mẫu giám sát nước thải cộng đồng có thể chấp nhận được. Đối với việc giám sát nước thải mục tiêu ở thượng nguồn, chỉ có sẵn các mẫu nước thải chưa qua xử lý. Nếu các phương pháp của phòng thí nghiệm có sẵn, việc lấy mẫu bùn thải được khuyến nghị để đánh giá sự hiện diện của việc lây nhiễm trong một nơi tập trung nước thải với rất ít số ca bệnh đã biết vì vi-rút sẽ tập trung nhiều hơn trong bùn thải. Các mẫu nước thải chưa qua xử lý được khuyến nghị khi các nhà máy xử lý nước thải dùng chất khử trùng trước khi có thể lấy mẫu bùn thải, việc xét nghiệm bùn thải thể hiện khả năng khôi phục vi-rút kém hoặc ức chế xét nghiệm cao hoặc thời gian lắng của chất thải bên trong bể lắng sơ cấp còn chưa xác định.

Cách lấy mẫu

Có hai phương thức thu gom mẫu cho việc giám sát nước thải

1. Mẫu lấy gộp một lần: Mẫu lấy gộp một lần có thể được thu gom nhanh và không đòi hỏi sử dụng thiết bị tự động. Tuy nhiên các mẫu lấy gộp một lần có thể ít có tính đại diện về mức độ đóng góp phân thải của cộng đồng hơn các mẫu lấy nhiều lần. Đối với bùn thải và nước thải chưa qua xử lý, các mẫu mẫu lấy gộp một lần thể hiện một khoảnh khắc đơn lẻ và bị tác động nhiều bởi các dao động hàng ngày trong lưu lượng và thành phần nước thải. Ở mức nhà máy xử lý, các mẫu lấy gộp một lần có thể cung cấp nồng độ tương tự với các mẫu lấy nhiều lần nếu thành phần cộng đồng bị nhiễm bệnh đó đủ cao. Tuy nhiên vào lúc này tỉ lệ tổi thiểu của cộng động cần bị nhiễm bệnh dể các mẫu lấy gộp một lần và mẫu lấy nhiều lần có thể tương tự nhau vẫn còn chưa xác định.
2. Mẫu lấy thành nhiều lần: Các mẫu lấy nhiều lần được thu gom bằng cách gộp nhiều mẫu thu nạp ở tần suất đã xác định qua một khoảng thời gian đã ấn định - thường là 24 giờ để giám sát nước thải. Quý vị có thể thu gom các mẫu lấy nhiều lần của nước thải chưa qua xử lý theo cách thủ công hoặc bằng các thiết bị lấy mẫu tự động có khả năng làm lạnh để thu gom các mẫu theo tỉ trọng lưu lượng (vd. một mẫu phụ cho mỗi 200.000 ga-lông lưu lượng). Các thiết bị lấy mẫu lấy nhiều lần liên tục (so với theo tỉ trọng lưu lượng) có thể cải thiện tính đại diện của mẫu của cộng đồng đóng góp vào hệ thống nước thải. Các mẫu lấy nhiều lần được coi là mang tính đại diện cho mức đóng góp phân thải trong cộng đồng hơn là các mẫu lấy gộp một lần.

Lựa chọn lượng mẫu

Lượng mẫu để thu gom sẽ tùy thuộc vào loại mẫu (nước thải hoặc bùn thải). 1 lít (L) mẫu nước thải hỗn hợp hoặc 100 mi-li-lít (ml) lượng mẫu bùn thải lấy gộp một lần nên đủ để xét nghiệm. Mức chất rắn bùn thải tối đa có thể được chiết xuất trực tiếp thường là khoảng 2 gam. Lượng mẫu còn lại (nếu có) có thể dùng để đo lặp lại hoặc để đánh giá mức biến đổi sinh học.

Lượng mẫu được cô đặc và định lượng sẽ xác định mức SARS-CoV-2 RNA thấp nhất có thể phát hiện được. Việc cô đặc hơn 1 L nước thải có thể dẫn tới khả năng khôi phục kém hoặc ức chế tín hiệu vi-rút. Nếu dùng các mẫu lấy gộp một lần, hãy tham vấn với nhân viên nhà máy xử lý nước thải để thu gom các mẫu đại diện được thu nạp ở các thời gian cao điểm về tải lượng phân người và để hiểu rõ thời gian lắng chất thải cho bùn thải.

Cách thu thập, bảo quản và vận chuyển mẫu an toàn

An toàn khi lấy mẫu: Đến nay không có bằng chứng nào cho thấy bất kỳ ai bị bệnh COVID-19 vì phơi nhiễm với nước thải. Các biện pháp thực hành tiêu chuẩn liên quan tới các hoạt động của nhà máy xử lý nước thải nên có đủ để  bảo vệ nhân viên làm việc liên quan tới nước thải khỏi bị ảnh hưởng bởi SARS-CoV-2. Những biện pháp thực hành này có thể bao gồm các biện pháp kiểm soát về hành chính và quy trình, rửa tay, các biện pháp thực hành làm việc an toàn cụ thể, cùng với thiết bị bảo hộ cá nhân thường cần có khi xử lý nước thải chưa qua xử lý. Ngoài các khuyến nghị của CDC về cách bảo vệ chống lại COVID-19, không khuyến nghị các hoạt động bảo vệ riêng về COVID-19 cho người lao động quản lý nước thải, bao gồm những bảo hộ tại cơ sở xử lý nước thải.

Lưu trữ: Không bao giờ lưu trữ mẫu ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ làm lạnh (4°C). Làm lạnh các mẫu trong quá trình thu gom. Nếu có thể, xử lý các mẫu trong vòng 24 tiếng sau khi thu gom, vì giám sát nước thải có thể hành động hiệu quả phụ thuộc vào việc thu thập dữ liệu nhanh. Các mẫu còn lại có thể đông lạnh ở nhiệt độ -70°C để lưu trữ. Tránh dùng nhiều hơn một chu kỳ đông lạnh-rã đông. Dữ liệu sơ bộ đã thể hiện việc có khả năng mất tín hiệu sau khi đông lạnh.

Vận chuyển: Khi gửi mẫu tới phòng thí nghiệm, CDC khuyến nghị đóng gói mẫu cùng các túi lạnh (4°C) và dùng hình thức vận chuyển trong cùng ngày hoặc qua đêm. Đóng gói và vận chuyển mẫu dưới dạng chất lây nhiễm loại B (UN 3373), phù hợp với Quy định về Vật liệu Nguy hiểm của Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ và Quy định về Hàng hóa Nguy hiểm của Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế.