Een schat aan informatie die relevant is voor de gezondheid van mens en milieu verbergt zich op een onverwachte plaats. Monsters van afvalwater van woningen, instellingen, steden over de hele wereld kunnen nu worden onderzocht op waardevolle gegevens over het welzijn van de gemeenschap, antibioticagebruik en resistentie, recreatief gebruik en misbruik van middelen, biomarkers van ziekten, evenals gevaren voor het milieu en degradatie.

Deze snel opkomende techniek voor gezondheidstoezicht, afvalwatergebaseerde epidemiologie (WBE) genoemd, is een economisch en krachtig hulpmiddel. Het kan ons veel leren over grote populaties die bijdragen aan een gecentraliseerd rioleringssysteem gedurende een volledige cyclus van 24 uur.

In een paar nieuwe studies, Rolf Halden, directeur van het ASU Biodesign Center for Environmental Health Engineering en auteur van het 2020 Book Environment, beschrijft het proces en belicht belangrijke nieuwe bevindingen uit het gemeentelijk afvalwater waaraan de meesten van ons dagelijks bijdragen. Halden is ook een professor aan ASU's School of Sustainable Engineering and the Built Environment.

"Na meer dan 15 jaar te zijn geweest, op afvalwater gebaseerde epidemiologie krijgt eindelijk de aandacht die het verdient, niet in de laatste plaats dankzij de uitdagingen die de COVID-19-pandemie met zich meebrengt, " zegt Halden, een pionier en kampioen van WBE wiens team het grootste enkele monitoringnetwerk en voorbeeldarchief in de VS en de rest van de wereld heeft gebouwd.

Datarijk afval

De vooruitgang in WBE-technologieën en -toepassingen gaat snel. De methode biedt een goedkope strategie voor het verkrijgen van gezondheids- en milieugegevens over een lokale, regionaal, nationale en zelfs continentale schaal. Het kan waardevolle informatie verschaffen met acute ruimtelijke en temporele resolutie. Omdat de methode gegevens uit de hele gemeenschap verzamelt, het is niet-invasief en waarborgt de privacy van de bestudeerde populatie.

Naast het vermogen om de opnamesnelheid van drugs, waaronder cocaïne en opioïden, te meten, WBE is voorgesteld als een middel om blootstelling aan agentia, waaronder pesticiden, producten voor persoonlijke verzorging, infectieuze ziekteverwekkers, persistente organische verontreinigende stoffen, evenals voor het volgen van de incidentie van ziekten in de hele gemeenschap, waaronder diabetes, allergieën, door stress veroorzaakte aandoeningen en kanker.

In de eerste van twee huidige onderzoeken, met Biodesign Institute-onderzoeker Erin Driver als hoofdauteur, afvalwatermonsters van een grote universiteit in het zuidwesten van Amerika werden geanalyseerd op de aanwezigheid van cafeïne, tabak en alcohol. In dit onderzoek is de aanwezigheid van deze stoffen gedurende het academiejaar 2017-18 gevolgd. Het is de eerste Amerikaanse studie die zich richt op deze veelvoorkomende psychotrope verbindingen, gericht op het vergelijken van gegevensuitvoer van WBE met die van conventionele methoden, namelijk het gebruik van vragenlijsten.

Alcohol, gebruik van nicotine en cafeïne zijn belangrijke problemen voor de volksgezondheid, ongeveer 550 claimen, 000 levens per jaar. Gegevens suggereren dat studenten van middelbare leeftijd bijzonder kwetsbaar zijn voor overconsumptie van deze stoffen, vaak resulterend in gedrag dat hun leven lang meegaat, die leiden tot slechtere gezondheidsresultaten. Dit werk toont het nut aan van het monitoren van deze specifieke subset van een populatie en illustreert het toekomstige voordeel van monitoringnetwerken op lange termijn op universiteitscampussen om de gezondheid van studenten te verbeteren en toekomstig succes te bevorderen.

efficiënt, bijna realtime monitoring

WBE vertegenwoordigt een aantrekkelijk alternatief voor monitoring door de hele gemeenschap door middel van zelfgerapporteerde enquêtes, die steekproef- en rapportagebias kunnen introduceren en die vaak relatief duur zijn om te beheren; hoeveel duurder, was een van de vragen die in het onderzoek werden onderzocht.

Naast metingen van de geconsumeerde hoeveelheden stimulerende middelen, de studie onthulde sterke positieve correlaties voor de consumptie van alcohol en nicotine, evenals tussen nicotine en cafeïne, maar niet tussen alcohol en cafeïne.

Tijdelijke informatie werd ook bijgehouden, wat aangeeft dat de cafeïneconsumptie het hoogst was tijdens de week, terwijl nicotine- en alcoholconsumptie piekten in de weekenden, als verwacht. De studie toonde de bruikbaarheid en betrouwbaarheid aan van campusbrede longitudinale tracking van ongeveer 60, 000 studenten direct en goedkoop.

Naast het monitoren van gezondheidsindices gerelateerd aan gedrag, WBE zou uiteindelijk een goedkope manier kunnen zijn voor het uitvoeren van surveillance van infectieziekten tussen populaties, het verstrekken van een systeem voor vroegtijdige waarschuwing om onderzoekers bijna in realtime te waarschuwen voor uitbraken van ziekten, binnen slechts 24 uur.

Halden hoopt de kracht van WBE-technologie te benutten, uiteindelijk combineert hij een breed scala aan indicatoren voor de menselijke gezondheid die aanwezig zijn in afvalwater tot een alomvattend systeem dat hij het Human Health Observatory (HHO) noemt. Momenteel, ASU's HHO verzamelt gegevens van meer dan 350 steden die ongeveer 32 miljoen mensen vertegenwoordigen of ongeveer 10% van de Amerikaanse bevolking en een kwart miljard mensen wereldwijd.

Gegevensstromen

Strategieën voor het extraheren van informatie over bepaalde doelstoffen variëren, vaak met behulp van geavanceerde methoden zoals vloeistofchromatografie tandem massaspectroscopie, die chemische sporen kunnen vingerafdrukken op basis van hun verschillende molecuulgewichten en kenmerkend ionisatie- en fragmentatiegedrag. Maar het basisproces dat voor WBE wordt gebruikt, is eenvoudig.

Monsters van ongezuiverd afvalwater - afvalwater dat een waterterugwinningsinstallatie binnenkomt, worden doorgaans verzameld over een periode van 24 uur en vervolgens naar het laboratorium verscheept om de gemiddelde concentratie van chemicaliën of hun biologische metabolieten te bepalen. De concentratiewaarde wordt vervolgens vermenigvuldigd met het debiet van het afvalwater tijdens de bemonsteringsperiode, om een ​​meer betekenisvolle eenheid van een hoeveelheid van een stof per 1, 000 mensen per dag. Door deze informatie te combineren met schattingen van de gemiddelde excretiesnelheid van doelmetabolieten kunnen onderzoekers de hoeveelheid consumptie van een bepaalde stof bepalen, of het nu kopjes koffie zijn, aantal gerookte alcoholische dranken of sigaretten.

De definitieve gegevens in het universitaire onderzoek toonden aan dat de niveaus van alcoholconsumptie consistent waren met de hoeveelheden die werden waargenomen in zelfgerapporteerde enquêtes. Maar terwijl werd aangetoond dat beide onderzoeksmethoden vergelijkbare bevindingen opleveren, Driver vatte het grote nieuws als volgt samen:"In dit onderzoek gebruik van WBE was meer dan 200 keer goedkoper dan conventionele methoden, het opleveren van gegevens met meer tussenpozen gedurende het academiejaar. De kosten werden verlaagd van naar schatting $ 127 tot slechts $ 0,58 per persoon bij het gebruik van afvalwateranalyses."

De onderzoekers meten nu hoe de COVID-19-epidemie en de bijbehorende thuisblijvers het middelengebruik in de thuisstad van de universiteit beïnvloeden.

Gezondheidstoezicht verfijnd

In de andere nieuwe studie, hoofdauteurs Professoren Olga Hart en Rolf Halden van het Biodesign Center for Environmental Health Engineering rapporteren over een modelstudie waarin alle 13, 940 grote rioolwaterzuiveringsinstallaties in de VS en demografische informatie verzameld door de US Census tijdens de American Community Survey van 2017.

Het doel van het onderzoek was om mogelijke vooroordelen in WBE-onderzoeken te onderzoeken en te begrijpen door variaties te onderzoeken in gegevens die zijn verzameld als gevolg van temperatuur, seizoensvariaties en snelheden van biomarkerverval. Om dit te doen, de onderzoekers gingen uit van een stabiel verbruik in de bevolking gedurende één kalenderjaar en berekenden hoe de gemeenschap die bijdraagt ​​aan het chemische signaal dat detecteerbaar is in een bepaalde afvalwaterzuiveringsinstallatie zou veranderen als een functie van de veranderingen die worden veroorzaakt door seizoensvariabele temperaturen en biomarkervervalsnelheden.

De studie vond ook intrigerende correlaties tussen seizoenstemperaturen en de grootte en afstand die een populatie kan worden waargenomen door afvalwateranalyses. In het algemeen, tijdens de koudere maanden van het jaar is de "visibility down the pipe" beter, wat leidt tot een grotere populatie gevangen die verder weg van de plant woont, en een meer gelijkmatige vertegenwoordiging van alle mensen die door de zuiveringsinstallatie worden bediend.

In tegenstelling tot, degradatie in het riool tijdens de zomermaanden verminderde de waarneembare populatie en de detecteerbare chemie bestond voornamelijk uit gemeenschappen die dichter bij de behandeling stonden. Deze bevinding kreeg grote betekenis toen uit volkstellingsgegevens bleek dat er aanzienlijke verschillen bestaan ​​in demografische indicatoren als functie van de afstand van woonplaats tot een fabriek. Vergeleken met het koude winterseizoen, waarnemingen in de zomer hadden meer kans om huishoudens met een lager inkomen vast te leggen, minder opleidingsniveau, meer voorkomende militaire dienst, hogere werkloosheid, en een groter gebrek aan ziektekostenverzekering. Hart vatte de bevindingen samen:

"Als er geen rekening mee wordt gehouden, deze ongelijke verdeling van populaties binnen stedelijke omgevingen kan leiden tot scheve gegevens van afvalwaterbemonstering, of toe te schrijven aan seizoensveranderingen, patronen die eigenlijk van demografische oorsprong zijn. Net als bij traditionele studies bij mensen, of we proberen de gezondheidstoestand van gemeenschappen beter te begrijpen door passieve monitoring of het testen van de impact van proactieve interventies, het is van cruciaal belang om te begrijpen of onze onderzoekspopulatie significant verandert van observatie tot observatie."

Halden was het daarmee eens en voegde eraan toe:"Deze studie daagt WBE-onderzoekers uit om hun gegevens opnieuw te beoordelen in de context van temperatuurveranderingen. Ongeacht of we chemische of biologische agentia in afvalwater controleren, onze onderzoeksgemeenschap zal meer aandacht moeten besteden aan de temperatuur van de omgevingslucht om de meest robuuste informatie uit afvalwateranalyse te halen."