Autori: Zane Bērziņa, Laura Elīna Ikkere, Vadims Bartkevičs

Lieli informācijas apjomi par mūsu ieradumiem un veselības stāvokli ik dienu tiek noskaloti tualetes podā. Lai arī sākotnēji var šķist, ka viss ko noskalojam ir atkritumi, zinātnieku aprindās tā ir jaunākā tendence – iegūt nozīmīgu informāciju par lieliem populācijas apmēriem tieši ar notekūdeņu izpēti.

Pateicoties izcilām tehniskajām iekārtām un izpratnei par dažādu vielu metabolismu cilvēka organismā, mēs varam veikt notekūdeņu izpēti un pēc aprēķiniem atgriezties sākumpunktā – pie patiesajiem pārtikas produktu vai farmaceitisko vielu patēriņa un populācijas kopējā veselības stāvokļa datiem.  Notekūdeņu epidemioloģija ir jauna pieeja, kas var sniegt vērtīgu informāciju par pārtikas un vides ķīmisko vielu uzņemšanu vai iedarbību. Tā ir balstīta uz specifisku cilvēka vielmaiņas izdalīšanās produktu (biomarķieru) analīzi pilsētas notekūdeņos, kas tieši atspoguļo piesārņotāju uzņemšanu.

Pirmo reizi šī metode tika ieviesta, lai novērtētu nelegālo narkotiku patēriņu, un vēlāk tika izmantota, lai novērtētu citus ar dzīvesveidu saistītus faktorus. Nesen metode pirmo reizi tika veiksmīgi izmantota, lai novērtētu pesticīdu iedarbību uz cilvēkiem, mērot dažus metabolītus urīna paraugos.

Notekūdeņu epidemioloģija postulē, ka cilvēka urīna biomarķieri, kas identificēti un kvantificēti notekūdeņos, var atspoguļot iedzīvotāju veselību reālajā laikā. Notekūdeņi parasti tiek savākti no notekūdeņu attīrīšanas iekārtām un parasti tā apkalpo pilsētu vai pilsētas daļu. Piemēram, farmaceitisko vai nelegālo narkotiku uzraudzība notekūdeņos var atklāt nelielas izmaiņas lietošanas un patēriņa tendencēs sabiedrībā. Turklāt, ir iespējams ne tikai noteikt telpiskās un laika tendences, bet arī šādus datus uzraudzīt reāllaikā, ļaujot agri pamanīt novirzes no parastajām tendencēm. Tas piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar biomonitoringa metodēm, kas koncentrējas uz mazām populācijas grupām. Tabulā Nr.1 ir apkopoti notekūdeņu epidemioloģijas pielietošanas piemēri.

Tabula Nr.1. Notekūdeņu epidemioloģijas pielietošanas jomas iedzīvotāju veselības stāvokļa novērtēšana

Notekūdeņu analīze un kāda biomarķiera koncentrācijas noteikšana tajā nav procesa mērķis. Mērķis ir iegūtos datus prezentēt visiem saprotamā veidā, piemēram, koncentrācijā uz 1000 iedzīvotājiem vai uz vienu personu noteiktā laika posmā. Tāpēc tiek veikta iegūto datu normalizēšana jeb attiecināšana pret populācijas apjomu, ko interesējošās vielas koncentrācija raksturo. Vienkāršāk paskaidrojot – uzzināt, cik aptuveni cilvēku ir iesaistīti, kāda konkrētā notekūdens parauga kompozīcijas veidošanā. Šādu datu normalizēšana ir ļoti nepieciešama ne tikai, lai radītu izpratni par iegūto datu nozīmi, bet arī, lai tos varētu salīdzināt ar citiem pētījumiem un datiem, piemēram, zāļu vai alkohola pārdošanas apjomiem u.tml. Kā vienu no notekūdens epidemioloģijas pielietojumiem varētu minēt Pārtikas drošības, dzīvnieku veselības un vides zinātniskā institūta “BIOR” pētījumu ciklu par farmaceitisko vielu un citu savienojumu satura izmaiņām Rīgas notekūdens paraugos (1.att). Kā var redzēt grafikā, alkohola patēriņš gada laikā svārstās ar tendenci pieaugt vasaras mēnešos. Tāpat arī tika novērots patērētā alkohola palielināts apjoms brīvdienās, kas izpaužas kā etilsulfāta koncentrācijas pieaugums notekūdens paraugos pirmdienas  rītā. Rezultāti ir normalizēti uz iedzīvotāju skaitu.

1.att. Alkohola patēriņa izmaiņas gada un nedēļās laikā, novērtējot pēc etanola metabolīta koncentrācijas notekūdens paraugos

Datu normalizēšana un pareiza populācijas izmēra noteikšana tiek uzskatīta par vienu no vislielākajiem neprecizitātes avotiem šādās uz notekūdeņiem balstītas epidemioloģijas metodēs. Tāpēc ir ļoti kritiski izvēlēties tādu datu normalizēšanas metodi, kas sniedz pēc iespējas visprecīzāko informāciju par populācijas apjomu, kā arī ir pietiekami vienkārši realizējama. Līdz šim dažādos pētījumos ir piedāvāti vairāki varianti kā veikt datu normalizēšanu, lai iegūtie rezultāti būtu pēc iespējas precīzāki un tuvāki reālajai situācijai.

Viens no tradicionālajiem veidiem, kā izteikt populācijas apmēru ir balstīties uz datiem par notekūdeņu caurplūdes ātrumu un piesaistīto mājsaimniecību skaitu konkrētajai notekūdeņu attīrīšanas stacijai. Šāds aprēķins ir vienkāršs, taču nepielāgojas cilvēku skaita izmaiņām noteiktajā pilsētā laika posmā, ko ietekmē sezonāls tūrisms, lieli pasākumi vai tamlīdzīgi.

Dažādi notekūdens ķīmiskie parametri var būt indikators iesaistītās populācijas apmēra noteikšanai, piemēram, bioloģiskā un ķīmiskā skābekļa patēriņa skaitlis, kopējais slāpekļa saturs vai kopējais fosfora saturs. Lai gan  šo parametru noteikšana ir vienkārša, šādas metodes izvēle nav pietiekami specifiska attiecībā pret populācijas lielumu, kā arī tie var mainīties atkarībā no dažādiem ārējiem fizikāliem vai ķīmiskiem faktoriem. Lai arī iepriekš izmantoti, mūsdienās pētnieki tiecas izvēlēties arvien precīzākas metodes.

Alternatīva tradicionālajiem parametriem, ko izmantot iegūto datu normalizēšanai, ir lietot populācijas izmēra marķierus jeb tā saucamos populācijas biomarķierus. Tie ir mazi ķīmiski savienojumi, kas notekūdeņos nonāk pēc tam, kad dažādas vielas ir metabolizētas jeb pārstrādatas cilvēka organismā. Lai izvēlētais ķīmiskais savienojums būtu izmantojams kā populācijas biomarķieris, tam jāatbilst vairākiem kritērijiem kā, piemēram, tam jābūt viegli nomērāmam un kvantificējamam, tā koncentrācijai notekūdenī jākorelē ar populācijas izmēru, kā arī tam jābūt ķīmiski un fizikāli stabilam notekūdens vidē – tas nedrīkst degradēties vai saistīties ar citām daļiņām. Lai arī šie kritēriji krasi sašaurina kandidatūru uz piemērotu populācijas biomarķiera izvēli, cilvēka organisms dienā izdala vairāk nekā 3 tūkstošus dažādu vielu. Daļa no šīm vielām ir paša cilvēka organisma radītas, saucamas par endogēnam vielām, bet daļa ir vielas, kas tiek organismā uzņemtas no pārtikas, apkārtējās vides u.c. pārstrādātas un izvadītas, tās dēvē par eksogēnām vielām.

Eksogēnie biomarķieri ir kofeīns, nikotīns, dažādi zāļu vielu un pretsāpju līdzekļu metabolīti. Tie raksturo kādu noteiktu populācijas daļu, piemēram, ja kā eksogēno populācijas biomarķieri izvēlas kofeīnu – tad datu normalizēšana tiktu veikta attiecībā pret to populācijas daļu, kas ir patērējuši kafiju, kofeīnu saturošus dzērienus un ēdienus, līdzīgi arī nikotīns raksturos smēķējošo sabiedrības daļu, tāpēc, ja vien tas nav pētījuma mērķis, jāizvērtē šāda populācijas biomarķiera spēju reprezentēt iedzīvotāju skaitu.  

Arī dažu mākslīgo saldinātāju sastāvdaļa – acesulfāms ir izmantojams kā populācijas biomarķieris. Tas satopams dažāda veida saldinātajos dzērienos un ēdienos. Pie eksogēnajiem biomarķieriem iekļauj arī dažādu medikamentu metabolisma produktus, kā piemēram, atenololu, kas ir asinsspiediena samazināšanas medikaments, karbamazepīnu un gabapentīnu – pretkrampju zālēs un visiem zināmo nesteroīdu pretiekaisuma līdzekli – ibuprofēnu. Lai arī vēl daudzas citas vielas ir iespējams noteikt notekūdenī un pielietot kā populācijas biomarķierus, izvēloties eksogēnā tipa vielas, jārēķinās, ka tās nenosedz visu populācijas apmēru, piemēram, atkarībā no vietas Eiropā, smēķētāju īpatsvars sabiedrībā mainās no 8 līdz 27%, tādējādi, izmantojot nikotīnu kā biomarķieri, iegūtie rezultāti tiek normalizēti uz nelielu populācijas daļu.

Līdzīgi ir arī ar medikamentiem un citiem eksogēnajiem marķieriem. Jāņem vērā arī tas, ka, piemēram, kafijas un citu vielu patēriņš dažādās valstīs atšķiras un variē atkarībā no sezonas vai pat nedēļas dienas, kas apgrūtina šī biomarķiera pielietošanu. Toties ir izstrādāti dažādi multi-parametru matemātiskie modeļi, kas, balstoties uz eksogēno populācijas biomarķieru koncentrācijām un notekūdeņu plūsmas raksturparametriem, spēj piedāvāt vēl precīzākas metodes populācijas izmēra noteikšanai.

Lai veiktu cilvēku skaitam specifisku datu normalizēšanu, jāizmanto endogēnie biomarķieri, kas ir unikālas vielas – raksturīgas tikai cilvēka organismam un tiek vienmērīgi izdalītas dzīves laikā izmērāmās koncentrācijās. Ideālā scenārijā – vecuma, dzimuma un ģeogrāfiskās lokācijas ietekme uz šādu vielas izdalīšanu ir niecīga. Šādas prasības sašaurina meklējamo savienojumu tikai līdz dažiem variantiem. Viens no tiem ir amonjaks. Amonjaks ir ķīmiskais savienojums, kas rodas no karbamīda jeb urīnvielas un tiek daļēji izvadīts no organisma ar urīnu. Lai arī amonjaka noteikšana notekūdenī ir vienkārša un pētījumos ir izdevies veiksmīgi pielietot to kā populācijas biomarķieri, tā ir maza un viegli gaistoša molekula, kā dēļ būtu jānodrošina nemainīgs pH līmenis un temperatūra notekūdeņiem plūstot un uzkrājoties notekūdeņu attīrīšanas stacijā. Šāda apstākļu kontrole ir neefektīva un grūti nodrošināma, it īpaši ja pētījuma dati tiek ievākti dažādos gadalaikos vai klimatiski atšķirīgās zonās. Kā alternatīvas šim ir piedāvāti vairāki citi savienojumi, kā viens no tiem – kreatinīns. Tas ir kreatīna sadalīšanās produkts, kas ir svarīga viela muskuļu kontrakcijai. Šī savienojuma izdalīšana no cilvēka organisma ir vienmērīga un bieži vien šis savienojums tiek izmantots urīnanalīžu rezultātu normalizēšanai, taču ir noskaidrojies, ka tā stabilitāte notekūdenī ir pārāk zema un to neiesaka izmantot kā populācijas biomarķieri notekūdeņu pētījumos. Bieži pieminētās šūnu taukvielas holesterīna galvenais metabolīts – koprostanols arī ir piedāvāts kā alternatīva citiem populācijas biomarķieriem. Taču padziļinātos pētījumos atklājies, ka tam piemīt tieksme saistīties ar notekūdenī esošajām cietajām daļiņām, kas apgrūtina šī savienojuma koncentrācijas noteikšanu. Hipotētiski derīgs populācijas biomarķieris ir 1-aminopropanons-2, kas ir B-12 vitamīna metabolīts. Tas ir ūdenī labi šķīstošs un unikāls cilvēka metabolismam, taču praktiski tas vēl nav izmantots un pārbaudīts kā biomarķieris.

Pārbaudīts, izmantots un praktiski pielietojams populācijas biomarķieris ir serotonīna galvenais metabolīts – 5-hidroksiindoletiķskābe jeb 5-HIAA. Tas ir cilvēka organismam specifisks, vienmērīgi izdalās ar urīnu un ir novērota laba korelācija šī savienojuma koncentrācijai pret populācijas izmēru, kā arī tam ir pietiekami laba stabilitāte notekūdens vidē.

Daudzsološs potenciālais populācijas biomarķieris ir DNS molekula. Fragments no tā, kas ir specifisks tikai cilvēkam, atšķirībā no citiem biomarķieru kandidātiem, ir ļoti stabils un var saglabāties pat simtiem gadu. Apvienotās Karalistes pētniekiem ir veiksmīgi izdevies izstrādāt metodi tā noteikšanai notekūdeņos izmantojot īpašus biosensorus, kas ļautu to izmantot uz notekūdeņiem balstītas epidemioloģijas pētījumos turpmāk.

Pavisam atšķirīga populācijas izmēra noteikšanas metode ir piedāvāta no Oslo – mobilo sakaru datu izmantošana, lai noteiktu iedzīvotāju skaita izmaiņas vasaras laikā. No iegūtajiem rezultātiem tika secināts, ka šāda pieeja, lai gan sarežģīta, sniedz diezgan precīzu informāciju par cilvēku skaita izmaiņām, kā arī salīdzinot ar statisku datu normalizēšanas metodi, deva viendabīgākus gala rezultātus par dažādu farmaceitisko vielu lietošanas paradumiem.

Joprojām ik gadu tiek publicēti arvien jauni pētījumi, par populācijas biomarķieru izmantošanas iespējām un metodikām, tiecoties arvien uz precīzāku un reālistiskāku datu normalizēšanas metodēm.