污水流行病学（sewage epidemiology）是通过分析污水处理厂进水中的化学物质浓度，根据人体代谢机理、进水流量和服务人口数量估算该地区人群消费某类化学物质的规律，调查与之相关的疾病、消费、健康等公众信息，从而预防和控制相关疾病，提高公众健康水平的科学。

污水流行病学的概念最早是由环境科学家提出的。最初环境科学家担心人类消费的药物经过污水处理厂后随着出水进入水环境中，从而危害水环境中的水生生物。环境科学家关注的是药物残留在污水中如何进行分配、生物降解，进入环境后的迁移转化过程以及对生物造成的毒理学危害。污水进入污水处理厂之前的过程是药物流行病学专家最为关心的问题。所以围绕药物残留，以污水处理厂的进水为分界线，上游的问题是污水流行病学研究范畴，下游则是环境科学家关心的问题。

▲污水流行病学包含的主要学科系统和知识

污水流行病学起源于违禁药品的消费调查。2001年，美国国家环境保护局环境科学家Christian G. Daughton首次提出基于市政污水分析的估计药物消费方法。该方法假设人群消费某种药物，经过人体的代谢，未分解的药物和药物代谢产物通过尿液和粪便排出体外，经过污水收集系统进入污水处理厂。通过测定进水样品中药物母体和/或代谢产物的水平，根据进水流量和污水处理厂服务人口数量，结合该药物人体代谢模式，计算该类药品的人均消费量。

污水流行病学的研究对象是市政污水。人们对污水的认识存在以下三个阶段：

最初人们认为污水是没有用处的有毒废物，具有危害性，需要经过污水处理系统进行处理，这是人们认识污水的第一个阶段；

随着人类对水资源的大量消耗，可利用的水资源开始短缺，同时污水处理技术不断提高，人类就开始把污水作为一种可利用的资源进行二次利用，包括中水回用、污泥的资源化等，这是人们认识污水的第二个阶段；

随着分析化学技术的飞速提高和发展，污水中存在的成千上万种化学物质逐渐被准确定性和定量，因此污水实际已经变成一个汇集了人类消费代谢各种化学物质的信息矿藏，这些化学物质来源于人类自身和药物代谢过程，或者来源于人类使用的各类化学物质，通过分析鉴定以及定量这些物质，可以窥探人群的健康状况和消费习惯，这是人们认识污水的第三个阶段。在这一阶段，挖掘此类信息就成为污水流行病学的主要工作。从这层意思上讲，污水流行病学属于化学、环境科学以及社会学领域的大数据挖掘工作。

分析污水中的化学物质能够推算当地人群健康状况和消费行为等重要信息。污水流行病学在调查涉及个人隐私的成瘾性物质（毒品、尼古丁、酒精）方面具有无可比拟的优势。与传统的社会流行病学调查（包括犯罪统计、医疗记录、药品生产和发作率）相比，污水流行病学方法除了具有能够提供客观的、连续的以及实时数据的优势，还可以反映社区等小范围内的公众健康信息。此外，使用污水流行病学方法估计非法毒品的消费可以避免一些其他方法涉及的伦理问题。基于污水分析的污水流行病学调查方法是对传统流行病学调查方法的一个重要补充，两者结合则更能够反映客观现实。

污水流行病学从开始诞生到现在仅仅十几年时间，根据技术成熟曲线理论，目前污水流行病学正处于起始阶段的指数增长时期，每年论文量在不断地增加，随着对相关基础理论研究不断深入，方法学上不断完善，应用范围和研究领域将不断扩展。

污水流行病学的应用最早是从调查毒品等违禁药品开始的。毒品等非法成瘾性物质的消费一直都是社会最关注的热点，而且关于该类物质的消费也很难通过调查问卷的常规方式获取。目前用污水流行病学调查的毒品，包括可卡因、大麻、吗啡、海洛因、美沙酮、可待因、苯丙胺、甲基苯丙胺、氯胺酮、MDMA等。除了常见的传统毒品，一些新型的设计类药品，如甲卡西酮、合成大麻酚、哌甲酯、曲马多、唑吡坦、奥沙西泮、羟考酮等，也是污水流行病学调查的对象。同时污水流行病学可以用于烟草、酒精、药物的消费调查，能够提供传统调查方法难以获得的新的信息。

污水流行病学可以调查化学物质消费的地理空间分布情况。这种空间变化从调查娱乐场所、监狱、度假区、社区等小的社会单位，延伸到大的农村、城市、省市甚至国家之间。

针对一些像监狱这样的敏感单位，也可以进行调查。监狱虽然是严格管理的地方，但是以污水流行病学方法针对监狱排放污水的调查发现了毒品消费。在对夜店等娱乐场所的下水道采样时也同样检测到比普通城市地区相对较高的毒品浓度。在对中国的北京、上海、深圳和广州的调查中发现甲基苯丙胺广泛流行，而氯胺酮在南方城市的消费量高于北方城市，尤其是在香港特别行政区，氯胺酮的滥用量高于甲基苯丙胺。北京冰毒类毒品的消费情况显示出甲基苯丙胺的滥用情况严重。

许多国家包括德国、瑞典、法国、克罗地亚、哥伦比亚、中国等进行了国家范围污水流行病学调查研究，识别了自己国家的毒品滥用类型和数量。德国是典型的苯丙胺滥用量高于甲基苯丙胺的国家。瑞典的苯丙胺和甲基苯丙胺滥用情况与德国类似，也是苯丙胺高于甲基苯丙胺。法国的滥用毒品以可卡因、大麻和美沙酮为主，其余毒品如 MDMA 和甲基苯丙胺滥用较少。南美洲哥伦比亚可卡因滥用量非常高。克罗地亚则是大麻滥用量较高，其次是海洛因和可卡因类毒品。针对中国主要城市的主要毒品消费类型调查发现，中国城市主要流行的毒品类型是甲基苯丙胺，研究还发现中国主要城市毒品滥用不存在典型差异，说明甲基苯丙胺流行率较高，是中国目前主要的滥用毒品。

污水流行病学展示了更显著的优势，可以进行多个国家的对比研究，展示国际和地区之间成瘾性物质的滥用情况。2011年，欧盟19个城市（11个国家的21个污水处理厂，服务人口1412万）参与到市政污水采样计划，提供了欧盟地区时间和空间的非法药品消费情况。一系列研究结果表明了欧盟国家毒品滥用趋势和差别。另一项由欧盟、澳大利亚和加拿大国际合作的研究表明，国际上酒精消费暴露的风险较高，周末酒精消费明显高于工作日。

利用污水流行病学方法可以调查化学物质消费或滥用的时间变化情况，这是相比于传统流行病学调查方法的重要优势。这种时间变化趋势包括小时变化、日变化、周变化、月变化甚至是多年使用情况调查，或者是特殊时间，如节日假期变化等。

平日消费调查也发现，一些毒品使用存在典型的周期性，作为娱乐使用的毒品在周末使用数量较高。针对小时变化的监测中发现毒品每天滥用时间也是呈现周期性，存在早高峰和晚高峰情况，这个时间段也恰好是人尿液排泄的主要时间段。而且工作日和周末的时间段也存在差异，工作日高峰在晚十点到早四点，而周末高峰则是在早四点到上午十点时间段内。

利用污水流行病学方法也发现部分毒品的滥用存在月变化，季节会影响毒品滥用方式。在一些特殊节日，如新年、圣诞节、音乐节等，毒品滥用情况就比较严重，滥用量较高。通过多年连续监测可以研究毒品长期滥用趋势。意大利连续四年的调查发现，污水流行病学方法调查的数据和传统调查方法得到的结果一致，大麻消费增加，可卡因没有变化，而甲基苯丙胺和海洛因有所下降。澳大利亚主要城市的毒品滥用现状调查发现，甲基苯丙胺是澳大利亚最主要的滥用新型毒品，并且近年来消费量不断增长。而比利时的毒品消费则在四年的时间内保持稳定。

随着污水流行病学理论的不断完善和方法学不断成熟，应用范围逐渐扩展，我们有理由相信，该方法的推广和应用会不断提高包括成瘾性物质在内的物质消费调查的准确性和科学性。作者希望国内科技工作者加入污水流行病学的研究队伍，对污水流行病学进行探索和研究，最终形成成熟可靠的成瘾性物质消费调查方法，为控制成瘾性物质的消费提供理论支持和科学依据，也为我国毒品滥用预防和打击毒品犯罪提供基础数据。

本文摘编自《污水流行病学》（王德高 著. 北京：科学出版社，2018.2）一书“第1章　污水流行病学起源和发展历史”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-055590-8

责任编辑：张震 孟莹莹

污水流行病学是以分析化学、环境化学、流行病学、法医学、药效动力学和药代动力学、社会行为学、统计学、市政工程、公共卫生等多个学科技术方法为手段，通过测定市政污水中药物残留，调查人群消费药品信息的科学。该技术方法以人类消费的合法和非法药品、化妆品、消费和娱乐性产品中的化学物质为主要研究对象，通过监测市政污水中相关化学品浓度，估算调查消费习惯和数量评价，获取人群健康和疾病信息，最终为公共卫生健康管理提供科学依据。《污水流行病学》主要内容包括介绍污水流行病学的发展历史、研究内容以及技术方法，应用污水流行病学对毒品滥用以及酒精、烟草、咖啡等产品进行消费调查。

目 录

前言

第1章 污水流行病学起源和发展历史 1

1.1 流行病学定义 1

1.2 污水流行病学定义 1

1.3 基本假设、研究对象和范畴 2

1.4 调查领域和内容 4

1.5 污水流行病学特点 6

1.5.1 统流行病学调查方法 7

1.5.2 污水流行病学与传统流行病学方法比较 10

1.6 世界主要国家和地区污水流行病学的发展 11

1.6.1 美国污水流行病学的发展和应用 11

1.6.2 欧盟污水流行病学的发展 12

1.6.3 澳大利亚污水流行病学的发展 12

1.6.4 加拿大污水流行病学的发展 12

1.6.5 南美洲污水流行病学的发展 13

1.6.6 中国污水流行病学的发展 13

1.7 污水流行病学发展趋势和未来展望 13

1.7.1 方法学发展 14

1.7.2 应用范围的发展 15

1.7.3 未来展望 17

参考文献 17

第2章 污水流行病学研究方法概述 21

2.1 前期调查 22

2.1.1 目的和意义 22

2.1.2 调查内容 22

2.1.3 方法和手段 23

2.2 污水样品采集 23

2.2.1 采样方法 23

2.2.2 样品存储稳定性 24

2.3 样品分离和净化 25

2.3.1 固相萃取 25

2.3.2 萃取柱选择 25

2.3.3 应用模式 31

2.3.4 溶液体系选择 33

2.3.5 柱压力方式选择 34

2.3.6 柱尺寸和容量选择 34

2.4 样品分析 35

2.4.1 色谱条件 35

2.4.2 质谱条件 37

参考文献 42

第3章 污水处理厂服务人口数量估算 43

3.1 设计容量法 43

3.2 污水流量法 43

3.3 污水特征标志法 44

3.4 人口普查法 44

3.5 生物标志物法 45

3.5.1 生物标志物基本特征 45

3.5.2 常见的生物标志物 46

3.6 模型估算法 48

3.7 手机信号法 49

3.8 多参数模型法 49

3.9 多参数模型的实际应用 50

3.9.1 估算人口数量参数的权重分配 51

3.9.2 常规指数的人均产生数量 54

参考文献 56

第4章 污水流行病学预测内容和不确定性分析 58

4.1 反演推算 58

4.1.1 药物流量 59

4.1.2 确定校正因子 60

4.2 不确定性分析 62

4.2.1 分析的作用 62

4.2.2 不确定性来源 63

4.2.3 来源分类和解决方法 64

4.2.4 敏感度分析 65

4.2.5 高斯误差方法 66

4.2.6 概率分析方法 67

4.2.7 蒙特卡罗概率分析不确定度 67

4.2.8 常见参数的概率分布函数 67

4.2.9 分布的拟合优度评价 69

参考文献 69

第5章 典型成瘾性物质的存储、前处理和分析方法 71

5.1 样品存储稳定性 72

5.1.1 污水收集系统对稳定性影响 72

5.1.2 可卡因及其代谢产物的稳定性 72

5.1.3 苯丙胺类物质及其代谢产物的稳定性 73

5.1.4 阿片类物质及其代谢产物的稳定性 73

5.1.5 大麻类物质及其代谢产物的稳定性 74

5.1.6 氯胺酮及其代谢产物的稳定性 74

5.1.7 烟草、咖啡因和酒精及其代谢产物的稳定性 74

5.1.8 推荐存储条件 75

5.2 污水样品前处理过程 75

5.2.1 SPE柱选择 75

5.2.2 SPE柱容量选择 77

5.3 污水样品仪器分析方法 78

5.3.1 色谱柱和流动相选择 78

5.3.2 质谱条件 78

参考文献 80

第6章 药物代谢动力学和市政排水管道系统简介 81

6.1 药物代谢动力学 81

6.1.1 药物效应 81

6.1.2 药物的体内动力学过程 82

6.1.3 药物的体内生理过程 82

6.1.4 群体药动学 83

6.1.5 手性药物药动学 84

6.2 市政排水管道系统概论 84

6.2.1 排水对象 84

6.2.2 市政排水制度 85

6.2.3 市政污水管道系统 85

参考文献 86

第7章 烟草消费量调查方法 87

7.1 烟草的人体代谢生物标志物和代谢比例 88

7.1.1 烟草的危害 88

7.1.2 尼古丁的代谢途径和比例 88

7.1.3 烟草的生物标志物 90

7.2 污水样品前处理和分析 91

7.2.1 污水样品前处理 91

7.2.2 样品分析 93

7.3 尼古丁和烟草消费量计算 94

7.3.1 总量计算 94

7.3.2 不同国家和地区的烟草消费调查研究结果 95

7.3.3 大连市烟草消费调查研究结果 96

7.4 应用高斯误差公式和蒙特卡罗模拟分析不确定性 98

7.4.1 高斯误差公式分析不确定性 98

7.4.2 蒙特卡罗模拟分析不确定性 99

7.4.3 尼古丁和烟草消费量的概率分布 101

7.4.4 影响预测结果的参数 102

参考文献 103

第8章 吉林省八城市人群烟草消费量预测 105

8.1 采样地区和污水处理厂介绍 106

8.2 污水前处理 107

8.3 污水样品测定 107

8.4 污水中COT和NIC的浓度 108

8.5 利用氨氮计算实时污水处理厂服务人口数量 108

8.6 尼古丁消费数量计算 110

8.7 烟草消费量 111

8.8 烟草消费量不确定性分析 111

8.8.1 蒙特卡罗模拟分析中参数确定 112

8.8.2 污水处理厂相关参数确定 112

8.8.3 吉林省烟草消费预测结果统计学分布 113

参考文献 115

第9章 甲基苯丙胺滥用调查 117

9.1 甲基苯丙胺在人体代谢的生物标志物和代谢比例 118

9.1.1 理化性质 118

9.1.2 临床作用及其危害 118

9.1.3 甲基苯丙胺的人体代谢途径和比例 119

9.2 甲基苯丙胺污水样前处理和分析 119

9.3 甲基苯丙胺的滥用量和流行率计算 120

9.3.1 人均滥用数量 120

9.3.2 滥用总量 121

9.3.3 滥用人群数量 121

9.3.4 甲基苯丙胺流行率计算 122

9.3.5 不同国家和地区的甲基苯丙胺滥用调查研究结果 122

9.4 北京市甲基苯丙胺消费量、流行率和空间分布特征 123

9.4.1 人均消费量计算 123

9.4.2 北京市消费数量计算 124

9.4.3 北京市甲基苯丙胺滥用者数量和流行率 126

9.4.4 北京市甲基苯丙胺消费地图 127

参考文献 127

第10章 中国主要城市甲基苯丙胺流行率和滥用量预测 129

10.1 数据来源 130

10.2 甲基苯丙胺的滥用模式、频率和剂量 130

10.2.1 影响滥用行为的因素 130

10.2.2 滥用频率 130

10.2.3 滥用剂量 132

10.2.4 滥用形式比例 132

10.3 甲基苯丙胺的滥用量和流行率不确定性分析 133

10.4 甲基苯丙胺的滥用量估算结果 135

10.5 甲基苯丙胺的流行率估算结果 136

10.6 局限性 138

10.7 控制政策建议 138

参考文献 139

第11章 中国主要城市氯胺酮滥用调查评估 140

11.1 氯胺酮的人体代谢生物标志物和代谢比例 141

11.1.1 理化性质 141

11.1.2 临床作用及其危害 141

11.1.3 氯胺酮在人体中的代谢过程 141

11.2 氯胺酮滥用量和流行率估算 142

11.2.1 人均滥用量计算 142

11.2.2 氯胺酮流行率估算 143

11.3 中国城市氯胺酮滥用量和流行率估算 143

11.3.1 影响滥用频率和剂量的因素 143

11.3.2 人均滥用量估算 143

11.3.3 氯胺酮流行率估算 144

11.4 氯胺酮滥用量和流行率不确定性分析 145

11.5 滥用量不确定性分析结果 147

11.6 流行率不确定性分析结果 148

参考文献 150

第12章 咖啡因消费调查方法 151

12. 1咖啡因的人体代谢生物标志物和代谢比例 152

12.1.1 咖啡因分子物化特征 152

12.1.2 咖啡因的生物标志物以及代谢途径和比例 152

12.2 污水样品前处理 153

12.3 污水样品分析 154

12.4 咖啡因的消费量计算 154

12.5 意大利的咖啡因消费调查 155

12.5.1 咖啡因消费量不确定性分析 156

12.5.2 意大利人均消费咖啡因分布结果 157

12.5.3 影响人均消费咖啡因参数 157

12.6 中国主要城市咖啡因消费调查 158

12.6.1 我国不同城市人均消费咖啡因分布结果 158

12.6.2 我国城市人群总体咖啡因消费量分布结果 159

参考文献 160

第13章 酒精消费调查方法 161

13.1 酒精的人体代谢生物标志物和代谢比例 162

13.1.1 酒精的人体代谢途径和比例 162

13.1.2 分析标样和同位素内标 163

13.2 污水样品存储和分析 163

13.2.1 样品稳定性 163

13.2.2 前处理 163

13.2.3 样品分析 166

13.3 反演推算 166

13.3.1 人均酒精消费量计算 166

13.3.2 成年人酒精消费次数计算 167

13.3.3 不同国家和地区的酒精消费调查研究结果 167

参考文献 168

第14章 大麻滥用调查方法 170

14.1 大麻的人体代谢生物标志物和代谢比例 171

14.2 污水样品处理和分析 172

14.3 大麻滥用量计算 173

14.3.1 人均滥用量计算 173

14.3.2 不同国家和地区的大麻消费调查研究结果 173

14.4 广州、深圳、上海和北京大麻滥用评估 174

14.5 大麻滥用预测结果的不确定性分析 175

14.5.1 人均滥用量不确定性分析结果 176

14.5.2 敏感性分析 178

参考文献 178

第15章 摇头丸滥用调查方法 180

15.1 摇头丸的人体代谢生物标志物和代谢比例 181

15.1.1 MDMA的药效学和危害 181

15.1.2 MDMA的生物标志物和药动学 181

15.2 污水样品前处理分析 182

15.3 MDMA人均滥用量和流行率计算 183

15.3.1 人均滥用量计算 183

15.3.2 MDMA流行率计算 183

15.4 广州、深圳、上海和北京MDMA滥用评估 184

15.5 MDMA预算结果的不确定性分析 185

15.5.1 MDMA人均滥用量不确定性分析结果 186

15.5.2 MDMA滥用流行率不确定性分析结果 187

参考文献 190

第16章 美沙酮消费量调查方法 191

16.1 美沙酮的性质、作用和代谢比例 192

16.1.1 理化性质 192

16.1.2 临床作用及其危害 192

16.1.3 美沙酮的生物标志物 192

16.2 污水样品处理和分析 193

16.3 美沙酮滥用量和流行率计算以及滥用模式 194

16.3.1 人均滥用量计算 194

16.3.2 流行率计算 194

16.3.3 典型剂量和频率 194

16.4 不同国家美沙酮消费量的调查研究结果 195

16.5 中国四城市美沙酮滥用量的调查研究结果 196

16.6 美沙酮滥用的不确定性分析 197

16.6.1 美沙酮人均滥用量不确定性分析结果 198

16.6.2 美沙酮滥用流行率不确定性分析结果 199

参考文献 202

第17章 海洛因滥用调查方法 204

17.1 海洛因的人体代谢生物标志物和代谢比例 204

17.1.1 海洛因的特征 204

17.1.2 海洛因的代谢途径和比例及生物标志物 205

17.2 污水样品处理和分析 206

17.3 海洛因滥用量和流行率计算、滥用模式以及研究进展 207

17.3.1 人均滥用量计算 207

17.3.2 海洛因流行率计算 207

17.3.3 滥用方式、频率、剂量和纯度 207

17.3.4 不同国家和地区的海洛因滥用调查研究结果 209

17.4 中国广州和深圳海洛因滥用调查 209

17.5 海洛因滥用结果不确定性分析 210

17.5.1 人均滥用量不确定性分析结果 211

17.5.2 流行率不确定性分析结果 212

17.5.3 影响海洛因人均滥用量的参数 213

17.5.4 影响海洛因流行率的参数 214

参考文献 215

第18章 可待因滥用调查方法 217

18.1 可待因的人体代谢生物标志物和代谢比例 217

18.1.1 理化性质 217

18.1.2 临床作用 218

18.1.3 可待因的生物标志物 218

18.2 污水样品存储和分析 219

18.3 可待因人均滥用量计算 219

18.4 不同国家和地区的可待因滥用调查结果 220

参考文献 220

（本文编辑：刘四旦）

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