Un tesoro di informazioni rilevanti per la salute umana e ambientale si nasconde in un luogo inaspettato. Campioni di acque reflue da abitazioni, istituzioni, città e città di tutto il mondo possono ora essere sondate per dati preziosi riguardanti il ​​benessere della comunità, uso e resistenza agli antibiotici, consumo e abuso di sostanze ricreative, biomarcatori di malattie, rischi ambientali e degrado.

Questa tecnica di sorveglianza sanitaria in rapida ascesa, denominata epidemiologia basata sulle acque reflue (WBE), è uno strumento economico e potente. Può insegnarci molto sulle grandi popolazioni che contribuiscono a un sistema fognario centralizzato nel corso di un ciclo completo di 24 ore.

In un paio di nuovi studi, Rolf Halden, direttore dell'ASU Biodesign Center for Environmental Health Engineering e autore del Book Environment 2020, descrive il processo e mette in evidenza nuove importanti scoperte estratte dalle acque reflue municipali a cui la maggior parte di noi contribuisce quotidianamente. Halden è anche professore alla School of Sustainable Engineering and the Built Environment dell'ASU.

"Dopo essere stato in giro per più di 15 anni, L'epidemiologia basata sulle acque reflue sta finalmente ricevendo l'attenzione che merita, grazie in gran parte alle sfide poste dalla pandemia di COVID-19, "dice Halden, un pioniere e un campione di WBE il cui team ha costruito la più grande rete di monitoraggio e archivio di campioni negli Stati Uniti e in tutto il mondo.

Rifiuti ricchi di dati

I progressi nelle tecnologie e nelle applicazioni WBE stanno progredendo rapidamente. Il metodo offre una strategia a basso costo per ottenere dati sanitari e ambientali su un regionale, scala nazionale e persino continentale. Può fornire informazioni preziose con una risoluzione spaziale e temporale acuta. Poiché il metodo aggrega i dati a livello di comunità, non è invasivo e garantisce la privacy della popolazione oggetto di studio.

Oltre alla sua capacità di misurare i tassi di ingestione di droghe tra cui cocaina e oppiacei, Il WBE è stato proposto come mezzo per identificare l'esposizione ad agenti inclusi pesticidi, prodotti per la cura della persona, patogeni infettivi, inquinanti organici persistenti, nonché per monitorare l'incidenza di malattie in tutta la comunità, incluso il diabete, allergie, disturbi indotti da stress e cancro.

Nel primo dei due studi in corso, con la ricercatrice del Biodesign Institute Erin Driver come autore principale, campioni di acque reflue di una grande università nel sud-ovest americano sono stati analizzati per la presenza di caffeina, tabacco e alcol. Questo studio ha monitorato la presenza di queste sostanze durante l'anno accademico 2017-18. È il primo studio statunitense a concentrarsi su questi comuni composti psicotropi, finalizzato a confrontare i dati in uscita da WBE con quelli dei metodi convenzionali, vale a dire l'uso di questionari.

Alcol, l'uso di nicotina e caffeina sono importanti problemi di salute pubblica, sostenendo circa 550, 000 vite all'anno. I dati suggeriscono che gli studenti in età universitaria sono particolarmente vulnerabili al consumo eccessivo di queste sostanze, spesso sfociando in comportamenti che durano tutta la vita, che creano risultati sanitari peggiori. Questo lavoro mostra l'utilità del monitoraggio di questo particolare sottoinsieme di una popolazione e illustra il potenziale vantaggio delle reti di monitoraggio a lungo termine nei campus universitari per migliorare la salute degli studenti e promuovere il successo futuro.

Efficiente, monitoraggio quasi in tempo reale

WBE rappresenta un'interessante alternativa al monitoraggio a livello di comunità attraverso sondaggi auto-riferiti, che possono introdurre errori di campionamento e segnalazione e sono spesso relativamente costosi da amministrare; quanto più costoso, era una delle domande indagate nello studio.

Oltre alle misurazioni delle quantità di stimolanti consumate, lo studio ha rivelato forti correlazioni positive per il consumo di alcol e nicotina, nonché tra nicotina e caffeina, ma non tra alcol e caffeina.

Sono state tracciate anche informazioni temporali, indicando che il consumo di caffeina era più alto durante la settimana, mentre il consumo di nicotina e alcol ha raggiunto il picco nei fine settimana, come anticipato. Lo studio ha dimostrato la praticità e l'affidabilità del monitoraggio longitudinale a livello di campus di circa 60, 000 studenti in modo diretto ed economico.

Oltre a monitorare gli indici di salute relativi al comportamento, Il WBE potrebbe in definitiva fornire un mezzo a basso costo per effettuare la sorveglianza delle malattie infettive tra le popolazioni, fornire un sistema di allerta precoce per allertare i ricercatori in caso di epidemie quasi in tempo reale, entro appena 24 ore.

Halden spera di sfruttare la potenza della tecnologia WBE, infine combinando un'ampia gamma di indicatori di salute umana presenti nelle acque reflue in un sistema completo che chiama Osservatorio sulla salute umana (HHO). Attualmente, L'HHO di ASU raccoglie dati da oltre 350 città che rappresentano circa 32 milioni di persone o circa il 10% della popolazione degli Stati Uniti e un quarto di miliardo di persone a livello globale.

Flussi di dati

Le strategie per estrarre informazioni su particolari sostanze bersaglio variano, spesso utilizzando metodi sofisticati come la spettroscopia di massa tandem di cromatografia liquida, che possono rilevare tracce chimiche in base ai loro diversi pesi molecolari e al caratteristico comportamento di ionizzazione e frammentazione. Ma il processo di base utilizzato per WBE è semplice.

Campioni di acque reflue grezze:acque reflue che entrano in un impianto di bonifica, vengono generalmente raccolti in un periodo di 24 ore e quindi spediti al laboratorio per determinare la concentrazione media di sostanze chimiche o dei loro metaboliti biologici. Il valore della concentrazione viene quindi moltiplicato per il volume del flusso di liquami durante il periodo di campionamento, fornire un'unità più significativa di una quantità di una sostanza per 1, 000 persone al giorno. La combinazione di queste informazioni con le stime dei tassi medi di escrezione dei metaboliti target consente ai ricercatori di determinare la quantità di consumo di una determinata sostanza, siano tazze di caffè, numero di bevande alcoliche o sigarette fumate.

I dati finali dello studio universitario hanno mostrato che i livelli di consumo di alcol sono coerenti con le quantità osservate nelle indagini autodichiarate. Ma mentre è stato dimostrato che entrambi i metodi di studio producono risultati simili, Driver ha riassunto la grande notizia come segue:"In questo studio, l'uso di WBE era oltre 200 volte più economico dei metodi convenzionali, fornire dati a intervalli più frequenti durante l'anno accademico. I costi sono stati ridotti da una stima di $ 127 a soli $ 0,58 a persona quando si utilizza l'analisi delle acque reflue".

I ricercatori stanno ora misurando l'impatto dell'epidemia di COVID-19 e dei relativi ordini di soggiorno a casa sull'uso di sostanze nella città natale dell'università.

Sorveglianza sanitaria perfezionata

Nell'altro nuovo studio, autori principali, i professori Olga Hart e Rolf Halden del Biodesign Center for Environmental Health Engineering, riferiscono di uno studio di modellizzazione che ha preso in considerazione tutti i 13, 940 principali impianti di trattamento delle acque reflue negli Stati Uniti e informazioni demografiche raccolte dal censimento degli Stati Uniti durante l'American Community Survey del 2017.

Lo scopo dello studio era di indagare e comprendere potenziali distorsioni negli studi WBE esaminando le variazioni nei dati raccolti a causa della temperatura, variazioni stagionali e tassi di decadimento dei biomarcatori. Per fare questo, i ricercatori hanno ipotizzato un consumo stabile nella popolazione nell'arco di un anno solare e hanno calcolato come la comunità che contribuisce al segnale chimico rilevabile in un dato impianto di trattamento delle acque reflue cambierebbe in funzione dei cambiamenti indotti dalle temperature variabili stagionalmente e dai tassi di decadimento dei biomarcatori.

Lo studio ha anche scoperto correlazioni interessanti tra le temperature stagionali e le dimensioni e la distanza di una popolazione che possono essere osservate dall'analisi delle acque reflue. Generalmente, durante i mesi più freddi dell'anno la "visibilità lungo il tubo" è migliore, portando a una popolazione più grande catturata che risiede più lontano dalla pianta, e una rappresentazione più uniforme di tutte le persone servite dall'impianto di trattamento.

In contrasto, il degrado nelle fognature durante i mesi estivi ha ridotto la popolazione osservabile e la chimica rilevabile era composta principalmente da comunità più vicine al trattamento. Questa scoperta ha acquisito grande significato quando i dati del censimento hanno mostrato notevoli differenze negli indicatori demografici esistenti in funzione della distanza di residenza da un impianto. Rispetto alla fredda stagione invernale, osservazioni in estate avevano maggiori probabilità di catturare le famiglie con reddito più basso, minor livello di istruzione, servizio militare più diffuso, maggiore disoccupazione, e una maggiore mancanza di assicurazione sanitaria. Hart ha riassunto i risultati:

"Se non preso in considerazione, questa distribuzione irregolare delle popolazioni all'interno degli ambienti urbani potrebbe portare a dati distorti dal campionamento delle acque reflue, o ad attribuire al cambio di stagione, modelli che sono effettivamente di origine demografica. Proprio come nei tradizionali studi su soggetti umani, se stiamo cercando di comprendere meglio lo stato di salute delle comunità monitorando passivamente o testando l'impatto di interventi proattivi, è fondamentale capire se la nostra popolazione in studio cambia significativamente da osservazione a osservazione".

Halden è d'accordo e ha aggiunto:"Questo studio sfida i ricercatori WBE a rivalutare i loro dati nel contesto dei cambiamenti di temperatura. Indipendentemente dal fatto che stiamo monitorando sostanze chimiche o agenti biologici nelle acque reflue, la nostra comunità di ricerca dovrà prestare maggiore attenzione alle temperature dell'aria ambiente per ottenere le informazioni più affidabili dall'analisi delle acque reflue".