En skattkammare av information som är relevant för människors och miljöns hälsa gömmer sig på en oväntad plats. Prover av avloppsvatten från hem, institutioner, städer runt om i världen kan nu undersökas efter värdefull information om samhällets välbefinnande, antibiotikaanvändning och resistens, konsumtion och missbruk av droger för rekreation, biomarkörer för sjukdomar samt miljöfaror och nedbrytning.

Denna snabbt växande hälsoövervakningsteknik, kallas avloppsvattenbaserad epidemiologi (WBE), är ett ekonomiskt och kraftfullt verktyg. Det kan lära oss mycket om stora befolkningar som bidrar till ett centraliserat avloppssystem under loppet av en hel 24-timmarscykel.

I ett par nya studier, Rolf Halden, chef för ASU Biodesign Center for Environmental Health Engineering och författare för bokmiljön 2020, beskriver processen och belyser viktiga nya fynd som hämtas från det kommunala avloppsvattnet som de flesta av oss bidrar till dagligen. Halden är även professor vid ASU:s School of Sustainable Engineering and the Built Environment.

"Efter att ha funnits i mer än 15 år, avloppsvattenbaserad epidemiologi får äntligen den uppmärksamhet den förtjänar, till stor del tack vare de utmaningar som covid-19-pandemin medfört, säger Halden, en pionjär och mästare för WBE vars team har byggt det största enskilda övervakningsnätverket och provarkivet i USA och runt om i världen.

Datarikt avfall

Framstegen inom WBE -teknik och applikationer går snabbt. Metoden erbjuder en lågkostnadsstrategi för att få fram hälso- och miljödata om en lokal, regional, nationell och till och med kontinental skala. Det kan ge värdefull information med akut rumslig och tidsmässig upplösning. Eftersom metoden aggregerar samhällsomfattande data, den är icke-invasiv och säkerställer integriteten för befolkningen som studeras.

Förutom dess förmåga att mäta intag av droger inklusive kokain och opioider, WBE har föreslagits som ett sätt att identifiera exponering för ämnen inklusive bekämpningsmedel, personliga vårdprodukter, infektiösa patogener, ihållande organiska föroreningar, såväl som för att spåra hela sjukdomsförekomsten av sjukdomar inklusive diabetes, allergier, stressinducerade besvär och cancer.

I den första av två aktuella studier, med biodesigninstitutets forskare Erin Driver som huvudförfattare, avloppsvattenprover från ett stort universitet i sydvästra USA analyserades för förekomst av koffein, tobak och alkohol. Denna studie övervakade förekomsten av dessa ämnen under läsåret 2017-18. Det är den första amerikanska studien som fokuserar på dessa vanliga psykotropa föreningar, syftar till att jämföra datautdata från WBE med konventionella metoder, nämligen användningen av frågeformulär.

Alkohol, användning av nikotin och koffein är betydande folkhälsoproblem, kräver cirka 550, 000 liv årligen. Data tyder på att studenter i högskoleåldern är särskilt utsatta för överkonsumtion av dessa ämnen, resulterar ofta i beteenden som varar livet ut, vilket skapar sämre hälsoresultat. Detta arbete visar nyttan av att övervaka just denna delmängd av en befolkning och illustrerar den framtida fördelen med långsiktiga övervakningsnätverk på högskolan för att förbättra studenthälsan och främja framtida framgångar.

Effektiv, nära övervakning i realtid

WBE representerar ett attraktivt alternativ till samhällsomfattande övervakning genom självrapporterade undersökningar, som kan införa snedvridningar i urval och rapportering och ofta är jämförelsevis kostsamma att administrera; hur mycket dyrare, var en av frågorna som undersöktes i studien.

Förutom mätningar av mängden stimulantia som konsumeras, studien avslöjade starka positiva korrelationer för konsumtion av alkohol och nikotin samt mellan nikotin och koffein, men inte mellan alkohol och koffein.

Temporär information spårades också, vilket tyder på att koffeinkonsumtionen var högst under veckan, medan nikotin- och alkoholkonsumtionen toppade på helgerna, som förväntat. Studien visade det praktiska och tillförlitliga i campus-omfattande longitudinell spårning av cirka 60, 000 studenter direkt och billigt.

Förutom att övervaka hälsoindex relaterade till beteende, WBE skulle i slutändan kunna tillhandahålla ett billigt sätt att utföra övervakning av infektionssjukdomar över populationer, tillhandahålla ett system för tidig varning för att varna forskare om sjukdomsutbrott i nästan realtid, inom så lite som 24 timmar.

Halden hoppas kunna utnyttja kraften i WBE -teknik, i slutändan kombinerar han ett brett utbud av hälsoindikatorer som finns i avloppsvatten till ett omfattande system som han kallar Human Health Observatory (HHO). För närvarande, ASU:s HHO samlar in data från över 350 städer som representerar cirka 32 miljoner människor eller ungefär 10 % av USA:s befolkning och en kvarts miljard människor globalt.

Dataströmmar

Strategier för att extrahera information om särskilda målämnen varierar, ofta med hjälp av sofistikerade metoder som vätskekromatografi tandemmasspektroskopi, som kan fingeravtryck kemiska spår baserat på deras olika molekylvikter och karakteristiska joniserings- och fragmenteringsbeteende. Men den grundläggande processen som används för WBE är enkel.

Prover av råavloppsvatten - avloppsvatten som kommer in i en återvinningsanläggning, samlas vanligtvis in under en 24-timmarsperiod och skickas sedan till laboratoriet för att fastställa den genomsnittliga koncentrationen av kemikalier eller deras biologiska metaboliter. Koncentrationsvärdet multipliceras sedan med flödesvolymen av avloppsvatten under provtagningsperioden, att ge en mer meningsfull enhet av en mängd av ett ämne per 1, 000 personer per dag. Genom att kombinera denna information med uppskattningar av genomsnittliga utsöndringshastigheter av målmetaboliter gör det möjligt för forskare att bestämma mängden konsumtion av ett visst ämne, vare sig det är koppar kaffe, antal rökta alkoholhaltiga drycker eller cigaretter.

De slutliga uppgifterna i universitetsstudien visade att nivåer av alkoholkonsumtion överensstämde med kvantiteter som observerades i självrapporterade undersökningar. Men medan båda studiemetoderna visade sig ge liknande resultat, Driver sammanfattade de stora nyheterna enligt följande:"I denna studie, användningen av WBE var över 200 gånger billigare än konventionella metoder, ger data med tätare intervall under hela läsåret. Kostnaderna sänktes från uppskattningsvis 127 USD till endast 0,58 USD per person vid användning av avloppsvattenanalys."

Forskarna mäter nu hur covid-19-epidemin och de tillhörande beställningarna att stanna hemma påverkar droganvändningen i universitetets hemstad.

Hälsoövervakningen förfinad

I den andra nya studien, huvudförfattarna professorerna Olga Hart och Rolf Halden från Biodesign Center for Environmental Health Engineering rapporterar om en modellstudie som övervägde alla 13, 940 stora avloppsreningsverk i USA och demografisk information som samlats in av den amerikanska folkräkningen under American Community Survey 2017.

Syftet med studien var att undersöka och förstå potentiella fördomar i WBE-studier genom att undersöka variationer i data som samlats in på grund av temperatur, säsongsvariationer och hastigheter för biomarkörers sönderfall. Att göra detta, forskarna antog en stabil konsumtion i befolkningen under ett kalenderår och beräknade hur samhället som bidrar till den kemiska signalen som kan detekteras vid ett givet avloppsreningsverk skulle förändras som en funktion av de förändringar som orsakas av säsongsvariabla temperaturer och biomarkörförfallshastigheter.

Studien fann också spännande samband mellan säsongsbetonade temperaturer och storleken och avståndet som en population kan observeras av avloppsvattenanalyser. I allmänhet, under de kallare månaderna på året är "sikten nerför röret" bättre, vilket leder till att en större population fångas som bor längre bort från växten, och en jämnare representation av alla människor som betjänas av reningsverket.

I kontrast, Nedbrytning i avlopp under sommarmånaderna minskade den observerbara populationen och den detekterbara kemin bestod främst av samhällen som låg närmare behandlingen. Detta fynd fick stor betydelse när folkräkningsdata visade att det finns stora skillnader i demografiska indikatorer som en funktion av bostadsavståndet från en anläggning. Jämfört med den kalla vintersäsongen, observationer under sommaren var mer benägna att fånga hushåll med lägre inkomster, lägre utbildningsnivå, mer utbredd militärtjänst, högre arbetslöshet, och större brist på sjukförsäkring. Hart sammanfattade resultaten:

"Om det inte tas med i beräkningen, denna ojämna fördelning av befolkningen i stadsmiljöer kan leda till snedställda data från provtagning av avloppsvatten, eller att tillskriva säsongsförändringar, mönster som faktiskt är av demografiskt ursprung. Precis som i traditionella mänskliga ämnesstudier, oavsett om vi försöker att bättre förstå samhällens hälsostatus genom passiv övervakning eller testa effekten av proaktiva insatser, det är viktigt att förstå om vår studiepopulation förändras signifikant från observation till observation."

Halden höll med och tillade:"Denna studie utmanar WBE-forskare att omvärdera sina data i samband med temperaturförändringar. Oavsett om vi övervakar kemikalier eller biologiska ämnen i avloppsvatten, vårt forskarsamhälle kommer att behöva ägna mer uppmärksamhet åt omgivande lufttemperaturer för att få den mest robusta informationen från analys av avloppsvatten."