Un trésor d'informations relatives à la santé humaine et environnementale se cache dans un endroit inattendu. Échantillons d'eaux usées des maisons, établissements, les villes du monde entier peuvent désormais être sondées à la recherche de données précieuses concernant le bien-être de la communauté, utilisation et résistance aux antibiotiques, consommation et abus de substances récréatives, les biomarqueurs de maladies ainsi que les dangers et la dégradation de l'environnement.

Cette technique de surveillance de la santé qui émerge rapidement, appelée épidémiologie basée sur les eaux usées (WBE), est un outil économique et puissant. Cela peut nous apprendre beaucoup sur les grandes populations qui contribuent à un système d'égouts centralisé au cours d'un cycle complet de 24 heures.

Dans une paire de nouvelles études, Rolf Halden, directeur de l'ASU Biodesign Center for Environmental Health Engineering et auteur du 2020 Book Environment, décrit le processus et met en évidence de nouvelles découvertes importantes extraites des eaux usées municipales auxquelles la plupart d'entre nous contribuent quotidiennement. Halden est également professeur à l'École d'ingénierie durable et de l'environnement bâti de l'ASU.

« Après plus de 15 ans d'existence, l'épidémiologie basée sur les eaux usées reçoit enfin l'attention qu'elle mérite, grâce en grande partie aux défis posés par la pandémie de COVID-19, " dit Halden, un pionnier et champion de WBE dont l'équipe a construit le plus grand réseau de surveillance unique et des archives d'échantillons aux États-Unis et dans le monde.

Déchets riches en données

Les progrès des technologies et des applications WBE progressent rapidement. La méthode offre une stratégie à faible coût pour obtenir des données sanitaires et environnementales sur un territoire, régional, échelle nationale et même continentale. Il peut fournir des informations précieuses avec une résolution spatiale et temporelle aiguë. Étant donné que la méthode agrège des données à l'échelle de la communauté, il est non invasif et garantit l'intimité de la population étudiée.

En plus de sa capacité à mesurer les taux d'ingestion de drogues, y compris la cocaïne et les opioïdes, Le WBE a été proposé comme moyen d'identifier l'exposition à des agents tels que les pesticides, produits de soins personnels, pathogènes infectieux, organismes polluants persistants, ainsi que pour suivre l'incidence des maladies à l'échelle de la communauté, y compris le diabète, allergiques, les troubles induits par le stress et le cancer.

Dans la première des deux études en cours, avec la chercheuse Erin Driver du Biodesign Institute comme auteur principal, des échantillons d'eaux usées d'une grande université du sud-ouest américain ont été analysés pour la présence de caféine, tabac et alcool. Cette étude a suivi la présence de ces substances au cours de l'année universitaire 2017-18. Il s'agit de la première étude américaine à se concentrer sur ces composés psychotropes courants, visant à comparer les données issues de la WBE à celles des méthodes conventionnelles, à savoir l'utilisation de questionnaires.

De l'alcool, la consommation de nicotine et de caféine sont des problèmes de santé publique importants, réclamant quelque 550, 000 vies par an. Les données suggèrent que les étudiants d'âge collégial sont particulièrement vulnérables à la surconsommation de ces substances, entraînant souvent des comportements qui durent toute leur vie, qui créent de moins bons résultats pour la santé. Ce travail montre l'utilité de surveiller ce sous-ensemble particulier d'une population et illustre l'avantage potentiel des réseaux de surveillance à long terme sur les campus universitaires pour améliorer la santé des étudiants et promouvoir la réussite future.

Efficace, surveillance en temps quasi réel

WBE représente une alternative attrayante à la surveillance à l'échelle de la communauté par le biais d'enquêtes autodéclarées, qui peuvent introduire des biais d'échantillonnage et de déclaration et sont souvent relativement coûteuses à administrer ; combien plus cher, était l'une des questions étudiées dans l'étude.

En plus des mesures des quantités de stimulants consommés, l'étude a révélé de fortes corrélations positives pour la consommation d'alcool et de nicotine ainsi qu'entre la nicotine et la caféine, mais pas entre l'alcool et la caféine.

Les informations temporelles ont également été suivies, indiquant que la consommation de caféine était la plus élevée au cours de la semaine, tandis que la consommation de nicotine et d'alcool atteignait son maximum le week-end, comme anticipé. L'étude a démontré la praticité et la fiabilité du suivi longitudinal à l'échelle du campus de quelque 60, 000 étudiants directement et à moindre coût.

En plus de surveiller les indices de santé liés au comportement, WBE pourrait finalement fournir un moyen peu coûteux d'effectuer une surveillance des maladies infectieuses dans les populations, fournir un système d'alerte précoce pour alerter les chercheurs des épidémies en temps quasi réel, en moins de 24 heures.

Halden espère tirer parti de la puissance de la technologie WBE, combinant finalement un large éventail d'indicateurs de santé humaine présents dans les eaux usées dans un système complet qu'il appelle l'Observatoire de la santé humaine (HHO). Actuellement, Le HHO de l'ASU rassemble des données de plus de 350 villes représentant environ 32 millions de personnes, soit environ 10 % de la population américaine et un quart de milliard de personnes dans le monde.

Flux de données

Les stratégies d'extraction d'informations sur des substances cibles particulières varient, utilisant souvent des méthodes sophistiquées telles que la chromatographie liquide, la spectroscopie de masse en tandem, qui peuvent tracer des traces chimiques en fonction de leurs poids moléculaires différents et de leur comportement caractéristique d'ionisation et de fragmentation. Mais le processus de base utilisé pour WBE est simple.

Échantillons d'eaux usées brutes - eaux usées entrant dans une installation de récupération d'eau, sont généralement collectés sur une période de 24 heures, puis expédiés au laboratoire pour déterminer la concentration moyenne de produits chimiques ou de leurs métabolites biologiques. La valeur de concentration est ensuite multipliée par le volume d'écoulement des eaux usées pendant la période d'échantillonnage, pour fournir une unité plus significative d'une quantité d'une substance par 1, 000 personnes par jour. La combinaison de ces informations avec des estimations des taux d'excrétion moyens des métabolites cibles permet aux chercheurs de déterminer la quantité de consommation d'une substance donnée, que ce soit des tasses de café, nombre de boissons alcoolisées ou de cigarettes fumées.

Les données finales de l'étude universitaire ont montré que les niveaux de consommation d'alcool étaient cohérents avec les quantités observées dans les enquêtes autodéclarées. Mais alors qu'il a été démontré que les deux méthodes d'étude donnent des résultats similaires, Driver a résumé la grande nouvelle comme suit :« Dans cette étude, l'utilisation de WBE était plus de 200 fois moins chère que les méthodes conventionnelles, produire des données à des intervalles plus fréquents tout au long de l'année scolaire. Les coûts ont été réduits d'environ 127 $ à seulement 0,58 $ par personne lors de l'utilisation de l'analyse des eaux usées."

Les chercheurs mesurent maintenant l'impact de l'épidémie de COVID-19 et des ordonnances de séjour à domicile associées sur la consommation de substances dans la ville d'origine de l'université.

Surveillance de la santé affinée

Dans l'autre nouvelle étude, auteurs principaux, les professeurs Olga Hart et Rolf Halden du Biodesign Center for Environmental Health Engineering rapportent une étude de modélisation qui a pris en compte les 13, 940 principales usines de traitement des eaux usées aux États-Unis et informations démographiques recueillies par le recensement américain lors de l'enquête communautaire américaine de 2017.

Le but de l'étude était d'étudier et de comprendre les biais potentiels dans les études WBE en examinant les variations dans les données collectées en raison de la température, variations saisonnières et taux de dégradation des biomarqueurs. Pour faire ça, les chercheurs ont supposé une consommation stable de la population sur une année civile et ont calculé comment la communauté contribuant au signal chimique détectable dans une usine de traitement des eaux usées donnée changerait en fonction des changements induits par les températures saisonnières et les taux de dégradation des biomarqueurs.

L'étude a également révélé des corrélations intrigantes entre les températures saisonnières et la taille et la distance à laquelle une population peut être observée par l'analyse des eaux usées. En général, pendant les mois les plus froids de l'année, la "visibilité en aval du tuyau" est meilleure, conduisant à une plus grande population capturée qui réside plus loin de la plante, et une représentation plus égale de toutes les personnes desservies par la station d'épuration.

En revanche, la dégradation dans les égouts pendant les mois d'été a réduit la population observable et la chimie détectable était composée principalement de communautés plus proches du traitement. Cette constatation a pris une grande importance lorsque les données du recensement ont montré des différences considérables dans les indicateurs démographiques en fonction de la distance de résidence d'une usine. Par rapport à la saison froide d'hiver, les observations en été étaient plus susceptibles de saisir les ménages à faible revenu, un niveau d'instruction moindre, service militaire plus répandu, un chômage plus élevé, et un manque accru d'assurance-maladie. Hart a résumé les résultats :

« Si non pris en compte, cette répartition inégale des populations au sein des environnements urbains pourrait conduire à des données faussées provenant de l'échantillonnage des eaux usées, ou à attribuer au changement saisonnier, des modèles qui sont en fait d'origine démographique. Tout comme dans les études traditionnelles sur des sujets humains, si nous essayons de mieux comprendre l'état de santé des communautés en surveillant passivement ou en testant l'impact d'interventions proactives, il est essentiel de comprendre si notre population d'étude change de manière significative d'une observation à l'autre."

Halden a accepté et a ajouté :« Cette étude met les chercheurs de WBE au défi de réévaluer leurs données dans le contexte des changements de température. Que nous surveillions des produits chimiques ou des agents biologiques dans les eaux usées, notre communauté de recherche devra prêter plus d'attention aux températures de l'air ambiant afin d'obtenir les informations les plus solides de l'analyse des eaux usées. »