Epidemiologie založená na odpadních vodách - Wastewater-based epidemiology

Epidemiologie založená na odpadních vodách (WBE) (nebo dohled na základě odpadních vod nebo kanalizace chemicko-informační těžba) je technika pro stanovení spotřeby nebo expozice chemickým látkám nebo patogenům v populaci. Toho je dosaženo měřením chemických nebo biologických entit (biomarkerů) v odpadních vodách produkovaných lidmi přispívajícími k a čistička odpadních vod povodí.[1] K odhadu se běžně používá epidemiologie založená na odpadních vodách nelegální droga použití v komunitách nebo populacích, ale lze jej použít k měření spotřeby alkoholu, kofeinu, různých léčiv a dalších sloučenin.[2] Na základě odpadních vod epidemiologie byl také upraven pro měření zátěže patogenů, jako je SARS-CoV-2 v komunitě.[3] Liší se od tradičních testování na drogy, moč nebo stolice testování v těchto výsledcích je populační agregát. Epidemiologie založená na odpadních vodách je interdisciplinární úsilí, které vychází z příspěvků odborníků, jako jsou čistička odpadních vod operátoři, analytičtí chemici a epidemiologové.

Dějiny

Na přelomu 21. století řada hlášených studií identifikovala antropogenní chemikálie a lidské patogeny v odpadních vodách a v povrchových vodách vypouštěných do odpadních vod.[4] Některé z těchto studií nakonec dokázaly použít měření chemických látek a patogenů jako proxy pro spotřebu chemikálií nebo expozici patogenům. Například raná epidemiologická studie založená na odpadních vodách publikovaná v roce 2005 měřila kokain a jeho metabolit benzoylecgognin ve vzorcích vody z Řeka Po v Itálie. Tato měření byla použita k odhadu spotřeby kokainu v komunitách vypouštějících odpadní vody do řeky.[5] Od té doby se epidemiologie založená na odpadních vodách dále rozvinula a používá se ve více zemích k měření spotřeby různých chemických látek. Epidemiologie založená na odpadních vodách byla podporována vládními orgány, jako je Evropské monitorovací centrum pro drogy a drogovou závislost v Evropě.[6] Podobné protějšky v jiných zemích, například Australská komise pro kriminální zpravodajství v Austrálii[7] a úřady v Číně[8] používají epidemiologii založenou na odpadních vodách ke sledování užívání drog v jejich populacích.

Zásada

Epidemiologii založenou na odpadních vodách lze v komunitním měřítku přirovnat k analýze moči. Sloučeniny s malou molekulou konzumované jednotlivcem mohou být vylučovány močí a / nebo stolicí ve formě nezměněné mateřské sloučeniny nebo metabolitu. V komunitách se síťovanou stokou se tato moč kombinuje s jinými odpady, včetně moči jiných jedinců, když cestují do čistírny odpadních vod. Odpadní vody jsou odebírány na vstupu a čistička odpadních vod, před úpravou vody. To se ideálně provádí pomocí autosamplerových zařízení, která shromažďují 24hodinový průtok nebo časové kompozitní vzorky. Tyto vzorky obsahují biochemické informace nebo biomarkery všech lidí, kteří přispívají k povodí čistírny odpadních vod.[9] Odebrané vzorky jsou odeslány do laboratoře, kde jsou používány techniky analytické chemie (jmenovitě kapalinová chromatografie - hmotnostní spektrometrie ) se používají ke kvantifikaci sledovaných sloučenin. Tyto výsledky lze vyjádřit v nákladech na obyvatele pomocí informací o objemu odpadní vody, kterou vzorek představuje. Výsledky mohou být dále vyjádřeny jako zátěže na obyvatele, pokud je dána populace obsluhovaná čistírnou odpadních vod.[10]Následující rovnice shrnuje, jak se určuje spotřeba sledované chemické látky (např. Drogy) na obyvatele:

Kde R je koncentrace chemického zbytku ve vzorku odpadní vody, F je objem odpadní vody, který vzorek představuje, C je korekční faktor, který odráží průměrnou hmotnostní a molární vylučovací frakci původního léčiva nebo metabolitu, a P je počet lidí v povodí odpadních vod. V C mohou být provedeny variace nebo úpravy, aby se zohlednily další faktory, jako je degradace chemické látky během její přepravy v kanalizačním systému.[2]

Aplikace

Mezi běžně detekované chemikálie patří mimo jiné následující;[9][2]

Časová srovnání

Analýzou vzorků odebraných v různých časových bodech lze vyhodnotit každodenní nebo dlouhodobější trendy. Tento přístup ilustroval trendy, jako je zvýšená konzumace alkoholu a rekreačních drog o víkendech od víkendu.[9] Časová epidemiologická studie založená na odpadních vodách ve Washingtonu měřila vzorky odpadních vod ve Washingtonu před, během a po legalizaci konopí. Porovnáním spotřeby konopí v odpadních vodách s prodejem konopí prostřednictvím legálních prodejen studie ukázala, že otevření legálních prodejen vedlo ke snížení tržního podílu nelegálního trhu.[11]

Prostorová srovnání

Rozdíly ve spotřebě chemikálií mezi různými místy lze zjistit, pokud se k analýze vzorků odpadních vod z různých míst použijí srovnatelné metody. The Evropské monitorovací centrum pro drogy a drogovou závislost provádí pravidelné multiměstské testy v Evropě s cílem odhadnout spotřebu nelegálních drog. Údaje z těchto monitorovacích snah se používají spolu s tradičnějšími monitorovacími metodami k pochopení geografických změn v trendech spotřeby drog.[6]

Virový dohled

Odpadní voda může být také testována na podpisy viry vylučovány výkaly, jako je enteroviry poliovirus, aichivirus a koronavirus.[12][13][3] Systematické programy dozoru nad odpadními vodami pro monitorování enterovirů, zejména poliovirů, byly zavedeny již v roce 1996 v Rusku.[14] Testování odpadních vod je uznáváno jako důležitý nástroj pro dohled nad poliovirem SZO, zejména v situacích, kdy chybí metody hlavního sledování, nebo kde je podezření na virovou cirkulaci nebo zavlečení.[15] Epidemiologie virů založená na odpadních vodách má potenciál informovat o výskytu virových ohnisek, kdykoli nebo kde není podezření. Studie archivovaných vzorků odpadních vod z Nizozemska z roku 2013 zjistila virovou RNA z Aichivirus A v holandských vzorcích splašků z roku 1987, dva roky před první identifikací Aichiviru A v Japonsku.[16]Během Pandemie covid-19, využití epidemiologie odpadních vod qPCR a / nebo RNA-sekv byl použit v různých zemích jako doplňková metoda pro hodnocení zátěže COVID-19 v populacích.[3][17] Programy pravidelného sledování pro monitorování SARS-Cov-2 v odpadních vodách byly zavedeny v populacích v zemích, jako je Kanada, Čína, Holandsko, Singapur, Španělsko a Spojené státy.[18][19]

Od 5. srpna 2020 WHO uznává dohled nad odpadními vodami SARS-CoV-2 jako potenciálně užitečný zdroj informací o prevalenci a časových trendech COVID-19 v komunitách, přičemž je třeba zdůraznit, že je třeba řešit mezery ve výzkumu, jako jsou charakteristiky virového vylučování.[20]

Viz také

Reference

  1. ^ Sims, Natalie; Kasprzyk-Hordern, Barbara (2020). „Budoucí perspektivy epidemiologie odpadních vod: Monitorování šíření infekčních chorob a odolnost vůči úrovni komunity“. Environment International. 139: 105689. doi:10.1016 / j.envint.2020.105689. ISSN  0160-4120. PMC  7128895. PMID  32283358.
  2. ^ A b C Choi, Phil M .; Tscharke, Ben J .; Donner, Erica; O'Brien, Jake W .; Grant, Sharon C .; Kaserzon, Sarit L .; Mackie, Rachel; O'Malley, Elissa; Crosbie, Nicholas D .; Thomas, Kevin V .; Mueller, Jochen F. (2018). „Biomarkery epidemiologie založené na odpadních vodách: minulost, současnost a budoucnost“. Trac Trends in Analytical Chemistry. 105: 453–469. doi:10.1016 / j.trac.2018.06.004. ISSN  0165-9936.
  3. ^ A b C Medema, Gertjan; Heijnen, Leo; Elsinga, Goffe; Italiaander, Ronald; Brouwer, Anke (2020). „Přítomnost RNA SARS-koronaviru-2 v odpadních vodách a korelace s hlášenou prevalencí COVID-19 v rané fázi epidemie v Nizozemsku“. Věda o životním prostředí a technologické dopisy. 7 (7): 511–516. doi:10.1021 / acs.estlett.0c00357. ISSN  2328-8930.
  4. ^ Glassmeyer, Susan T .; Furlong, Edward T .; Kolpin, Dana W .; Cahill, Jeffery D .; Zaugg, Steven D .; Werner, Stephen L .; Meyer, Michael T .; Kryak, David D. (2005). „Přeprava chemických a mikrobiálních sloučenin ze známých vypouštění odpadních vod: potenciál pro použití jako indikátor lidské fekální kontaminace“. Věda o životním prostředí a technologie. 39 (14): 5157–5169. Bibcode:2005EnST ... 39,5157G. doi:10.1021 / es048120k. ISSN  0013-936X. PMID  16082943.
  5. ^ Zuccato, E; Chiabrando, C; Castiglioni, S; Calamari, D; Bagnati, R; Schiarea, S; Fanelli, R (2005). „Kokain v povrchových vodách: nový nástroj založený na důkazech ke sledování zneužívání drog v komunitě“. Environmentální zdraví. 4 (14): 14. doi:10.1186 / 1476-069X-4-14. PMC  1190203. PMID  16083497.
  6. ^ A b „Analýza odpadních vod a drogy: evropská studie pro více měst“ (PDF). Evropské monitorovací centrum pro drogy a drogovou závislost. 12. března 2020.
  7. ^ „Zprávy z Národního programu monitorování drog v odpadních vodách“. Australská kriminální zpravodajská komise. 30. června 2020. Citováno 2. července 2020.
  8. ^ Cryanoski, D. (16. července 2018). „Čína rozšiřuje dohled nad odpadními vodami pro policejní užívání nelegálních drog“. Příroda. Citováno 23. října 2019.
  9. ^ A b C Hodnocení nelegálních drog v odpadních vodách (PDF). Evropské monitorovací centrum pro drogy a drogovou závislost. Lisabon, Portugalsko: Úřad pro publikace Evropské unie. 2016. str. 1-82. ISBN  978-92-9168-856-2.
  10. ^ Gracia-Lor, Emma; Castiglioni, Sara; Bade, Richard; Byl, Frederic; Castrignanò, Erika; Covaci, Adrian; González-Mariño, Iria; Hapeshi, Evroula; Kasprzyk-Hordern, Barbara; Kinyua, Julie; Lai, Foon Yin; Letzel, Thomas; Lopardo, Luigi; Meyer, Markus R .; O'Brien, Jake; Ramin, Pedram; Rousis, Nikolaos I .; Rydevik, Axel; Ryu, Yeonsuk; Santos, Miguel M .; Senta, Ivan; Thomaidis, Nikolaos S .; Veloutsou, Sofie; Yang, Zhugen; Zuccato, Ettore; Bijlsma, Lubertus (2017). „Měření biomarkerů v odpadních vodách jako nový zdroj epidemiologických informací: současný stav a budoucí perspektivy“ (PDF). Environment International. 99: 131–150. doi:10.1016 / j.envint.2016.12.016. ISSN  0160-4120. PMID  28038971.
  11. ^ Burgard, Daniel A .; Williams, Jason; Westerman, Danielle; Rushing, Rosie; Carpenter, Riley; LaRock, Addison; Sadetsky, Jane; Clarke, Jackson; Fryhle, Heather; Pellman, Melissa; Banta-Green, Caleb J. (2019). „Využití analýzy založené na odpadních vodách ke sledování účinků legalizovaného maloobchodního prodeje na spotřebu konopí ve státě Washington, USA“. Závislost. 114 (9): 1582–1590. doi:10.1111 / add.14641. ISSN  0965-2140. PMC  6814135. PMID  31211480.
  12. ^ Okoh, Anthony I .; Sibanda, Thulani; Gusha, Siyabulela S. (2010). „Nedostatečně zpracovaná odpadní voda jako zdroj lidských enterických virů v životním prostředí“. International Journal of Environmental Research and Public Health. 7 (6): 2620–2637. doi:10,3390 / ijerph7062620. ISSN  1660-4601. PMC  2905569. PMID  20644692.
  13. ^ Gundy, Patricia M .; Gerba, Charles P .; Pepper, Ian L. (2008). „Přežití koronavirů ve vodě a odpadních vodách“. Potravinová a environmentální virologie. 1 (1). doi:10.1007 / s12560-008-9001-6. ISSN  1867-0334.
  14. ^ Ivanova, Olga E .; Yarmolskaya, Maria S .; Eremeeva, Tatiana P .; Babkina, Galina M .; Baykova, Olga Y .; Akhmadishina, Lyudmila V .; Krasota, Alexandr Y .; Kozlovskaya, Liubov I .; Lukashev, Alexander N. (2019). „Environmentální dohled nad poliovirem a dalšími enteroviry: dlouhodobé zkušenosti v Moskvě, Ruská federace, 2004–2017“. Viry. 11 (5): 424. doi:10,3390 / v11050424. ISSN  1999-4915. PMC  6563241. PMID  31072058.
  15. ^ https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/67854/WHO_V-B_03.03_eng.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  16. ^ Lodder, Willemijn J .; Rutjes, Saskia A .; Takumi, Katsuhisa; Husman, Ana Maria de Roda (2013). „Virus Aichi v odpadních vodách a povrchových vodách, Nizozemsko“. Vznikající infekční nemoci. 19 (8): 1222–1230. doi:10.3201 / eid1908.130312. ISSN  1080-6040. PMC  3739534. PMID  23876456.
  17. ^ „Stav environmentálního dohledu nad virem SARS-CoV-2“ (PDF). Světová zdravotnická organizace. 5. srpna 2020. Citováno 6. srpna 2020.
  18. ^ „Arizonská univerzita říká, že před vypuknutím chytila ​​vypuknutí covid-19 na koleji. Její tajná zbraň: Poop“. The Washington Post. 28. srpna 2020.
  19. ^ "Průzkum odpadních vod". Národní institut pro veřejné zdraví a životní prostředí. 8. srpna 2020. Citováno 15. srpna 2020.
  20. ^ Sharif, Salmaan; Ikram, Aamer; Khurshid, Adnan; Salman, Muhammad; Mehmood, Nayab; Arshad, Yasir; Ahmad, Jamal; Angez, Mehar; Alam, Muhammad Masroor; Rehman, Lubna; Mujtaba, Ghulam; Hussain, Jaffar; Ali, Johar; Akthar, RIbqa; Malik, Muhammad Wasif; Baig, Zeeshan Iqbal; Rana, Muhammad Suleman; Usman, Muhammad; Ali, Muhammad Kásir; Ahad, Abdul; Badar, nacista; Umair, Massab; Tamim, Sana; Ashraf, Asiya; Tahir, Faheem; Ali, Nida (2020). „Detekce SARS-koronaviru-2 v odpadních vodách s využitím stávající sítě dohledu nad životním prostředím: Epidemiologická brána k včasnému varování pro COVID-19 v komunitách.“ doi:10.1101/2020.06.03.20121426. S2CID  219322544. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)