Эпидемиология сточных вод

Эпидемиология сточных вод — общее название для методик оценки распространённости инфекционных заболеваний или употребления химических веществ на основании анализа сточных вод. Исследования производятся путём определения концентраций химических и биологических маркеров в сточных водах, поступающих из канализации на очистные сооружения с целью оценки количества возбудителей болезни или употреблённых химических веществ. Результаты анализа сравниваются с величиной населения, генерирующего сточные воды и делается оценка распространённости анализируемого фактора. Эпидемиологический анализ сточных вод был изначально разработан для выявления полиомиелита, но позже оказался полезен и при мониторинге употребления наркотиков, а с началом пандемии COVID был применён для оценки распространения коронавируса. Исследования по методикам эпидемиологии сточных вод являются междисциплинарными, в них участвуют специалисты по аналитической химии, микробиологии и вирусологии, а также специалисты по водоочистке и эпидемиологии^[1].

Оценка фактического количества инфицированных полиомиелитом представляла серьёзные трудности из-за особенностей заболевания: будучи инфекционным и очень опасным, полиомиелит зачастую протекает бессимптомно или может быть принят за другие заболевания. Оказалось возможным сделать оценку числа инфицированных через анализ бытовых сточных вод, первые эксперименты были предприняты в 1940—1945 годах в США, изучалось наличие полиовируса в канализации Нью-Йорка, Чикаго и других городов^[2].

Методика совершенствовалась, и в 1984 году на основании 10 случаев полиомиелита в Финляндии был проделан тщательный анализ сточных вод. Результаты анализа позволили оценить реальный масштаб эпидемии в 100 000 человек инфицированных, после чего была начата кампания по всеобщей вакцинации, продолжавшаяся в течение 1984—1985 годов, прекратившая эпидемию^[3].

В 2001 году была опубликована идея о возможности использовать анализ сточных вод для оценки употребления запрещённых субстанций^[4]. Такой метод позволил бы обойти личный фактор, препятствовавший получению достоверных данных при помощи опросов. Первое практическое исследование на основании выдвинутой идеи было сделано в Италии в 2005 году, анализировалось употребление кокаина. Затем аналогичные исследования были сделаны в других странах, в некоторых из них мониторинг стал постоянным, а список отслеживаемых веществ расширился^[1].

К 2010 анализ сточных вод был осознан как важный инструмент регулярного анонимного анализа биохимических параметров жизнедеятельности людей и при поддержке Европейского центра мониторинга наркотиков и наркозависимости (EMCDDA) была организована европейская ассоциация Sewage analysis CORe group — Europe (SCORE). Ассоциация объединила независимые лаборатории, занимавшиеся эпидемиологией сточных вод, с целью координации усилий и выработки единых стандартов и протоколов исследований. С момента образования SCORE проводила регулярные исследования уровня употребления наркотиков в Европе и публиковала их в составе регулярных отчётов EMCDDA^[5].

Использование методов эпидемиологии сточных вод было сочтено перспективным для мониторинга распространения основных инфекционных болезней, обсуждался возможный набор биомаркеров. По состоянию на 2020 год систематический мониторинг вёлся только в области полиомиелита, работ по другим инфекциям было недостаточно^[6].

С началом пандемии COVID мониторинг сточных вод был успешно применён для оценки масштабов распространения пандемии в США, первые эксперименты были начаты в 2020 году. По состоянию на 2022 год CDC (система центров по контролю и профилактике заболеваний в США) считает метод мониторинга сточных вод точным независимым источником данных о заболеваемости коронавирусом^[7].

Для оценки уровня заболеваемости или уровня употребления вещества по сточным водам производятся количественные замеры уровня содержания патогенов или веществ в бытовых сточных водах, а потом путём расчётов определяется среднее содержание патогенов или употребление вещества на душу населения в районе, обслуживаемом очистными сооружениями^[8].

Процесс сбора и обработки информации, как правило, включал в себя следующие этапы:

1. Определение географического района, предмета исследований и биомаркера либо химического соединения, ожидаемого в составе сточных вод. Определяемое в сточных водах вещество может как совпадать с предметом исследований, так и отличаться от него. В частности, для исследований употребления амфетамина и заражённости полиовирусом в сточных водах определялось наличие именно амфетамина и полиовируса. Однако для исследований употребления кокаина исследователи достигли успеха, исследуя содержание в воде продукта метаболизма кокаина — бензоилэкгонина.
2. Получение образцов из точки, где собираются сточные воды перед началом их обработки. Исследователи применяли как одноразовый забор, так и забор несколько раз в сутки с целью получить достоверную картину усреднённой суточной концентрации исследуемого биомаркера или вещества.
3. Анализ концентрации исследуемого биомаркера или вещества. Для определения содержания химических веществ чаще всего использовался метод жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии.
4. Для оценки общего количества биомаркера или вещества, собираемого с исследуемой территории, общий объём сточных вод умножался на найденную на предыдущем этапе концентрацию. Исходя из сведений о выделении биомаркера или метаболизме исследуемого вещества в человеческом организме производился пересчёт общего количества биомаркера или вещества в количество вирусов в организме или величину принимаемого внутрь исходного вещества. И, наконец, при помощи демографических данных о населении исследуемой территории делался вывод о распространённости инфекции или количестве употребляемого химического вещества в расчёте на 1000 человек населения.

Точность определения минимальных уровней наличия биомаркеров, особенно актуальная для контроля инфекционных заболеваний, росла по мере совершенствования лабораторных методов. В 1960-х годах порогом считалось обнаружение 1 инфицированного полиомиелитом на 250 человек населения, в 2001 году была продемонстрирована чувствительность 1 на 10 000 человек, по состоянию на 2021 она составляла 1 инфицированного на 100 000 человек^[1].

Исторически полиовирус был первым объектом систематических усилий по выявлению его содержания в сточных водах. Успехи, достигнутые в превентивном выявлении и предупреждении вспышек в ряде стран привёл к разработке рекомендаций ВОЗ по регулярному контролю распространения вируса. Рекомендации были изданы в 2003 году специальным документом ВОЗ и применяются в большинстве стран мира на уровне государственных программ^[9]. По состоянию на 2019 год благодаря принятым мерам полиовирус был ликвидирован почти повсеместно, опасность заражения диким полиовирусом PV-1 сохранялась только в Афганистане и Пакистане^[10].

Методы анализа сточных вод были применены с первых дней пандемии COVID в США^[1]. Анализы продемонстрировали высокую достоверность и повторяемость результатов, в сентябре 2020 года в рамках Центров по контролю и профилактике заболеваний США была организована Национальная система контроля сточных вод (National Wastewater Surveillance System NWSS). По состоянию на начало 2022 года данные, собираемые NWSS считались важным независимым источником сведений о распространении коронавируса в США^[11].

Хотя метод контроля сточных вод успешно опробован для нескольких десятков психоактивных препаратов, но основной интерес для исследований представляют шесть наркотиков: MDMA, мефедрон, кокаин, амфетамин, метамфетамин и марихуана^[12][5].

Юридический статус исследований сточных вод представляется вполне законным при анализе образцов, собранных с большой территории. При сужении географической привязки образцов до квартала или отдельного домовладения возможна юридическая коллизия, так как законодательство может трактовать такой анализ как обыск. В частности, в США обыск без соответствующей санкции недопустим согласно Четвёртой поправке, аналогичные нормы есть и в законодательстве других стран. Вместе с тем исследователи отмечали, что при необходимости выявления и пресечения распространения опасных инфекционных заболеваний такие санкции вполне оправданны и скорее всего будут получены^[13].

Этические проблемы обнародования результатов исследований по методикам эпидемиологии сточных вод могли бы включать разнообразные социальные последствия для объектов исследований. В частности, публикация неблагоприятных результатов исследования сточных вод школы или студенческого кампуса потенциально могла бы нанести им заметный репутационный ущерб, а результаты исследования стоков пенитенциарного учреждения могли бы стать основанием для ужесточения режима содержания заключённых. Европейская ассоциация Sewage analysis CORe group — Europe (SCORE) в марте 2016 года приняла рамочный документ об основах этичных исследований по методикам эпидемиологии сточных вод, с целью унифицировать подходы в этой области^[14].

• World Health Organization. Guidelines for environmental surveillance of poliovirus circulation (англ.). — World Health Organization, 2003. Архивировано 13 января 2022 года.
• EMCDDA. Wastewater analysis and drugs — a European multi-city study (Perspectives on drugs) (англ.). — Лиссабон: The European Monitoring Centre for Drugs and Drug Addiction (EMCDDA), 2021. Архивировано 21 февраля 2022 года.
• SCORE. Ethical research guidelines for wastewater-based epidemiology and related fields (англ.). — Sewage Analysis Core group Europe (SCORE), 2016. Архивировано 5 июля 2020 года.
• Marit Huizer, Thomas L. ter Laak, Pim de Voogt, Annemarie P. van Wezel. Wastewater-based epidemiology for illicit drugs: A critical review on global data (англ.) // Water Research. — Elsevier, 2021. — December (vol. 207). — ISSN 0043-1354. — doi:10.1016/j.watres.2021.117789. Архивировано 21 февраля 2022 года.