Un tesoro de información relevante para la salud humana y ambiental se esconde en un lugar inesperado. Muestras de aguas residuales de hogares, instituciones, Los pueblos y ciudades de todo el mundo ahora se pueden sondear en busca de datos valiosos sobre el bienestar de la comunidad, uso y resistencia de antibióticos, consumo y abuso de sustancias recreativas, biomarcadores de enfermedades, peligros ambientales y degradación.

Esta técnica de vigilancia de la salud que emerge rápidamente, denominada epidemiología basada en aguas residuales (WBE), es una herramienta económica y poderosa. Puede enseñarnos mucho sobre las grandes poblaciones que contribuyen a un sistema de alcantarillado centralizado durante el transcurso de un ciclo completo de 24 horas.

En un par de nuevos estudios, Rolf Halden, director del Centro de Biodiseño de Ingeniería de Salud Ambiental de la ASU y autor del Libro Medioambiental 2020, describe el proceso y destaca importantes hallazgos nuevos extraídos de las aguas residuales municipales a las que la mayoría de nosotros contribuimos a diario. Halden también es profesor en la Escuela de Ingeniería Sostenible y Ambiente Construido de ASU.

"Después de estar presente durante más de 15 años, La epidemiología basada en aguas residuales finalmente está recibiendo la atención que merece, gracias en gran parte a los desafíos provocados por la pandemia de COVID-19, "dice Halden, un pionero y campeón de WBE cuyo equipo ha construido la red de monitoreo y el archivo de muestras más grande en los EE. UU. y en todo el mundo.

Desperdicio rico en datos

Los avances en las tecnologías y aplicaciones de WBE están progresando rápidamente. El método ofrece una estrategia de bajo costo para obtener datos ambientales y de salud a nivel local, regional, escala nacional e incluso continental. Puede proporcionar información valiosa con una resolución espacial y temporal aguda. Debido a que el método agrega datos de toda la comunidad, no es invasivo y asegura la privacidad de la población en estudio.

Además de su capacidad para medir las tasas de ingestión de drogas, incluida la cocaína y los opioides, WBE se ha propuesto como un medio para identificar la exposición a agentes, incluidos plaguicidas, productos de cuidado personal, patógenos infecciosos, contaminantes orgánicos persistentes, así como para rastrear la incidencia de enfermedades en toda la comunidad, incluida la diabetes, alergias trastornos inducidos por estrés y cáncer.

En el primero de dos estudios actuales, con la científica investigadora del Biodesign Institute Erin Driver como autora principal, Se analizaron muestras de aguas residuales de una gran universidad en el suroeste de Estados Unidos para detectar la presencia de cafeína, tabaco y alcohol. Este estudio monitoreó la presencia de estas sustancias durante el año académico 2017-18. Es el primer estudio de EE. UU. Que se centra en estos compuestos psicotrópicos comunes, destinado a comparar la salida de datos de WBE con la de los métodos convencionales, a saber, el uso de cuestionarios.

Alcohol, El uso de nicotina y cafeína son problemas importantes de salud pública, reclamando unos 550, 000 vidas al año. Los datos sugieren que los estudiantes en edad universitaria son particularmente vulnerables al consumo excesivo de estas sustancias, a menudo resulta en comportamientos que duran toda la vida, que generan peores resultados de salud. Este trabajo muestra la utilidad de monitorear este subconjunto particular de una población e ilustra el beneficio potencial de las redes de monitoreo a largo plazo en los campus universitarios para mejorar la salud de los estudiantes y promover el éxito futuro.

Eficiente, monitoreo casi en tiempo real

WBE representa una alternativa atractiva al monitoreo de toda la comunidad a través de encuestas autoinformadas, que pueden introducir sesgos de muestreo y presentación de informes y, a menudo, su administración es relativamente costosa; cuanto mas caro, fue una de las cuestiones investigadas en el estudio.

Además de las mediciones de las cantidades de estimulantes consumidos, el estudio reveló fuertes correlaciones positivas para el consumo de alcohol y nicotina, así como entre la nicotina y la cafeína, pero no entre el alcohol y la cafeína.

También se realizó un seguimiento de la información temporal, lo que indica que el consumo de cafeína fue más alto durante la semana, mientras que el consumo de nicotina y alcohol alcanzó su punto máximo los fines de semana, como se esperaba. El estudio demostró la practicidad y confiabilidad del seguimiento longitudinal en todo el campus de unos 60, 000 estudiantes de forma directa y económica.

Además de monitorear los índices de salud relacionados con el comportamiento, En última instancia, WBE podría proporcionar un medio de bajo costo para llevar a cabo la vigilancia de enfermedades infecciosas en todas las poblaciones, proporcionar un sistema de alerta temprana para alertar a los investigadores sobre brotes de enfermedades casi en tiempo real, en tan solo 24 horas.

Halden espera aprovechar el poder de la tecnología WBE, en última instancia, combina una amplia gama de indicadores de salud humana presentes en las aguas residuales en un sistema integral que él llama Observatorio de Salud Humana (HHO). En la actualidad, El HHO de ASU recopila datos de más de 350 ciudades que representan alrededor de 32 millones de personas o aproximadamente el 10% de la población de EE. UU. Y 250 millones de personas en todo el mundo.

Flujos de datos

Las estrategias para extraer información sobre determinadas sustancias objetivo varían, a menudo utilizando métodos sofisticados como la cromatografía líquida, la espectroscopia de masas en tándem, que puede tomar huellas dactilares de trazas químicas en función de sus diferentes pesos moleculares y su comportamiento característico de ionización y fragmentación. Pero el proceso básico utilizado para WBE es simple.

Muestras de aguas residuales crudas:aguas residuales que ingresan a una instalación de recuperación de agua, generalmente se recolectan durante un período de 24 horas y luego se envían al laboratorio para determinar la concentración promedio de sustancias químicas o sus metabolitos biológicos. Luego, el valor de concentración se multiplica por el volumen de flujo de aguas residuales durante el período de muestreo, para proporcionar una unidad más significativa de una cantidad de una sustancia por 1, 000 personas por día. La combinación de esta información con estimaciones de las tasas de excreción promedio de los metabolitos objetivo permite a los investigadores determinar la cantidad de consumo de una sustancia determinada. ya sean tazas de café, número de bebidas alcohólicas o cigarrillos fumados.

Los datos finales del estudio universitario mostraron que los niveles de consumo de alcohol son consistentes con las cantidades observadas en las encuestas autoinformadas. Pero mientras que ambos métodos de estudio mostraron resultados similares, Driver resumió la gran noticia de la siguiente manera:"En este estudio, el uso de WBE fue más de 200 veces más barato que los métodos convencionales, produciendo datos a intervalos más frecuentes a lo largo del año académico. Los costos se redujeron de un estimado de $ 127 a solo $ 0.58 por persona cuando se utilizan análisis de aguas residuales ".

Los investigadores ahora están midiendo cómo la epidemia de COVID-19 y las órdenes de quedarse en casa asociadas están afectando el uso de sustancias en la ciudad de origen de la universidad.

Vigilancia de la salud perfeccionada

En el otro estudio nuevo, Los autores principales, los profesores Olga Hart y Rolf Halden del Biodesign Center for Environmental Health Engineering, informan sobre un estudio de modelado que consideró los 13, 940 plantas de tratamiento de aguas residuales importantes en los EE. UU. E información demográfica recopilada por el censo de EE. UU. Durante la Encuesta sobre la comunidad estadounidense de 2017.

El objetivo del estudio fue investigar y comprender los posibles sesgos en los estudios de WBE mediante el examen de las variaciones en los datos recopilados debido a la temperatura, variaciones estacionales y tasas de deterioro de los biomarcadores. Para hacer esto, los investigadores asumieron un consumo estable en la población durante un año calendario y calcularon cómo la comunidad que contribuye a la señal química detectable en una planta de tratamiento de aguas residuales determinada cambiaría en función de los cambios inducidos por las temperaturas variables estacionalmente y las tasas de descomposición de los biomarcadores.

El estudio también encontró intrigantes correlaciones entre las temperaturas estacionales y el tamaño y la distancia a la que se puede observar una población mediante análisis de aguas residuales. En general, durante los meses más fríos del año, la "visibilidad hacia abajo" es mejor, lo que lleva a una población más grande capturada que reside más lejos de la planta, y una representación más uniforme de todas las personas atendidas por la planta de tratamiento.

A diferencia de, La degradación en el alcantarillado durante los meses de verano redujo la población observable y la química detectable se compuso principalmente de comunidades más cercanas al tratamiento. Este hallazgo cobró gran importancia cuando los datos del censo mostraron diferencias considerables en los indicadores demográficos que existen en función de la distancia de residencia a una planta. En comparación con la fría temporada de invierno, Las observaciones en el verano tenían más probabilidades de captar hogares con ingresos más bajos, menor nivel educativo, servicio militar más frecuente, mayor desempleo, y mayor falta de seguro médico. Hart resumió los hallazgos:

"Si no se tiene en cuenta, esta distribución desigual de las poblaciones dentro de los entornos urbanos podría conducir a datos sesgados del muestreo de aguas residuales, o atribuir al cambio estacional, patrones que en realidad son de origen demográfico. Al igual que en los estudios tradicionales de sujetos humanos, si estamos tratando de comprender mejor el estado de salud de las comunidades mediante el monitoreo pasivo o probando el impacto de las intervenciones proactivas, es fundamental comprender si la población de nuestro estudio cambia significativamente de una observación a otra ".

Halden estuvo de acuerdo y agregó:"Este estudio desafía a los investigadores de WBE a reevaluar sus datos en el contexto de los cambios de temperatura. Independientemente de si estamos monitoreando químicos o agentes biológicos en las aguas residuales, nuestra comunidad de investigadores tendrá que prestar más atención a la temperatura ambiente del aire para obtener la información más sólida del análisis de aguas residuales ".