Изучение сточных вод оказалось источником для исследований рациона людей
Во время пандемии Covid-19 анализ сточных вод стал своего рода системой оповещения о распространении вируса. Теперь учёные используют этот подход (то есть изучают содержимое канализации), чтобы понять, как питаются разные сообщества.
Рацион — один из важнейших факторов, влияющих на здоровье, но исследователям на удивление сложно выяснить, что именно едят люди, пишет The New York Times.
Обычные методы, такие как опросники о частоте употребления продуктов или просьбы вспомнить, что человек ел накануне, утомительны и дорогостоящи, говорит специалист по питанию Кристофер Гарднер из США. Такие методы зависят от того, насколько честно и точно люди отвечают на вопросы. Через несколько дней люди забывают от 15 до 20 % того, что они ели.
По словам доктора Гарднера, это одна из причин, по которым исследования в области питания сопряжены с такими трудностями, и именно поэтому наиболее достоверные данные можно получить с помощью небольших метаболических камер. В таких исследованиях учёные, по сути, «сажают человека под замок», добавляет он. «Он не может выйти. Вы готовите ему еду, просовываете под дверь и знаете, доел он или нет».
Но новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на настоящий кладезь данных о питании — сточные воды. Исследователи из Северной Каролины искали в сточных водах следы пищевой ДНК, которая не была переварена. Тратя менее цента на человека, как пишет The New York Times, они смогли определить сотни продуктов, которые употреблялись в пищу, — шоколад, салат-латук, индейку, чернику, черный перец, — и даже составить социально-экономический портрет сообщества.
Во время пандемии коронавируса мониторинг сточных вод стал привычным инструментом в сфере общественного здравоохранения, помогающим городам отслеживать всплески заболеваемости, не тестируя при этом каждого жителя, напоминает The New York Times. Но ученые все чаще используют эту же инфраструктуру для оценки употребления запрещенных веществ, выявления устойчивости к антибиотикам, определения уровня гормонов стресса, а теперь и рациона питания.
С помощью таких данных исследователи могут оценить, удовлетворяются ли потребности населения в питательных веществах и как изменения в политике, например сокращение программы продовольственных талонов, влияют на пищевое поведение в режиме, близком к реальному времени. Однако эта технология также поднимает непростые вопросы, связанные с конфиденциальностью, слежкой и рисками, связанными с возможной коммерциализацией.
«Каждый день восемь миллиардов человек проводят примерно по три эксперимента с рационом питания, — говорит Лоуренс Дэвид, микробиолог из Университета Дьюка и старший автор нового исследования. — И ни одна из этих данных не фиксируется».
Обычно люди ежедневно потребляют до грамма пищевой ДНК. Большая ее часть расщепляется в процессе пищеварения, но небольшая часть выводится из организма, говорит доктор Дэвид, оставляя после себя миллионы фрагментов, которые могут быть проанализированы исследователями.
В ходе нового исследования ученые изучили образцы сточных вод, собранные у 2,1 миллиона человек в Северной Каролине, что составляет примерно пятую часть населения штата. Эти образцы были собраны и сконцентрированы в начале пандемии, а некоторые из них хранились в морозильной камере лаборатории, рассказала Рейчел Ноубл, микробиолог-эколог из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и один из старших авторов исследования.
После размораживания концентрата сточных вод исследователи секвенировали содержащуюся в нем пищевую ДНК в поисках генетического материала из митохондрий животных и хлоропластов растений — клеточных органелл, отвечающих за фотосинтез. Они обнаружили, что пищевые привычки различались в зависимости от региона: черноглазую фасоль чаще употребляли в сельской местности, ингредиенты для пива — в богатых районах, манго и кокосы — там, где проживало много иммигрантов.
Однако у секвенирования есть свои ограничения, поскольку некоторые продукты оставляют более заметный генетический след, чем другие, подчеркивает The New York Times. Например, в листовой зелени содержится больше хлоропластов, чем в картофеле, как рассказывает Мэнъи Донг, специалист по пищевым продуктам из Политехнического института Вирджинии, которая руководила исследованием. А в рафинированном сахаре почти нет ДНК исходного сырья — сахарного тростника или сахарной свеклы. Кроме того, сложно провести различие между продуктами, полученными из одного и того же исходного сырья, — например, кукурузным сиропом, кукурузными чипсами и кукурузой в початках.
Поэтому некоторые исследователи используют другой подход, изучая химические маркеры рациона, такие как соединения клетчатки, следы витаминов и другие побочные продукты пищеварения и метаболизма. Например, вместо того чтобы определять количество выпитого пива по содержанию хмеля и ячменя, исследователи анализируют этилсульфат — химическое вещество, которое образуется при расщеплении алкоголя в организме и выводится с мочой. По словам Девина Боуза, профессора кафедры гигиены окружающей среды в Университете Южной Каролины, этот подход не позволяет точно определить, какие именно продукты употреблял человек, но может дать полезную информацию о конкретных питательных веществах и токсинах, влияющих на здоровье.
По словам доктора Боуза, этот метод довольно трудоёмкий и требует «детективной работы», чтобы определить, какое именно химическое вещество имеет значение и может быть измерено.
Независимо от того, какие маркеры отслеживают исследователи, сточные воды — не самый надёжный источник данных. По словам доктора Ноубл, часть пищевой ДНК или химических веществ, попадая в трубы, разрушается или задерживается в них, особенно в старых канализационных системах с трубами из терракоты или бетона. По словам Кайла Бибби, инженера-эколога из Университета Нотр-Дам, в сточных водах содержатся не только человеческие экскременты, но и фекалии домашнего скота, пищевые отходы из ресторанов и опавшие листья, которые искажают сигнал.
По словам доктора Ноубл, исследователи постарались учесть этот фактор, обрабатывая образцы «как можно быстрее», чтобы минимизировать деградацию ДНК. Они также исключили ДНК растений и животных, которых люди не употребляют в пищу (например, скошенную траву или ДНК волков), но на эти непищевые источники приходилась лишь четверть ДНК растений и 1 % ДНК животных, которые были секвенированы.
Исследователи также сравнили данные, полученные из сточных вод, с небольшой выборкой отдельных образцов кала и обнаружили, что в этих двух источниках ДНК представлена схожим образом. Тем не менее, по словам инженера-эколога Джордана Печчиа, необходимо провести дополнительную работу, чтобы сопоставить данные о рационе питания, полученные из сточных вод, с «эталонными данными», как это было сделано при сопоставлении данных о сточных водах с данными о заболеваемости Covid-19 и количестве госпитализаций. Но даже в этом случае, добавил он, анализ сточных вод, скорее всего, будет лучше подходить для выявления закономерностей в динамике, а не для определения абсолютных показателей потребления пищи.
Несмотря на ограничения, учёные надеются, что анализ сточных вод поможет изменить подход к изучению рациона питания.
Например, по словам доктора Гарднера, вместо того чтобы опрашивать миллионы людей и просить их проходить повторные опросы, исследователи могли бы с меньшими затратами отслеживать изменения в рационе питания с течением времени. Это может показать, как изменения в политике, такие как тарифы и программы бесплатных школьных обедов, влияют на питание. В сочетании с медицинскими данными эти сигналы также могут помочь исследователям связать особенности питания со здоровьем населения и развитием хронических заболеваний.
На данный момент мониторинг рациона питания в основном проводится на муниципальных очистных сооружениях, где одна выборка может охватывать тысячи или сотни тысяч людей. Но команда доктора Дэвида начинает изучать данные на уровне районов, начиная с Дарема, что в Северной Каролине. Они избегают брать пробы в местах с населением менее 500 человек по соображениям конфиденциальности. Тем не менее, люди не обязательно считают то, что они удаляют, ценными данными, и, поскольку наблюдение за сточными водами распространяется на более интимные области, такие как диета, они могут возражать против анализа своего кала. Ответом доктора Дэвида была попытка вовлечь сообщества в этот процесс. В течение прошлого года его команда встречалась с общественными советами и руководителями районов в Дареме, спрашивая, чем эти данные могут быть им полезны.
Когда Эрин Дули, основательница некоммерческой организации BLK South, впервые услышала об исследовании, это заставило ее задуматься. “Мы живем в такое время, когда наши данные — это золотая жила”, — сказала Дули. Она беспокоилась о том, как эта информация может быть извлечена из ее сообщества, продана рекламодателям и использована для того, чтобы пристыдить жителей за их рацион питания. Но она и ее муж Кендалл тоже увидели в этом возможность. Их район, Хейти — одна из исторических «черных» улиц в Америке, которая сейчас превратилась в «продовольственную пустыню», — пытается собрать 6 миллионов долларов, чтобы открыть продуктовый магазин. Поэтому Дули объединили усилия с доктором Дэвидом и сообществом Грант-Стрит, чтобы выяснить, что едят местные жители и чего им не хватает, и использовать эти данные для обоснования необходимости открытия продуктового магазина и расширения доступа к свежим продуктам. «Это полезная информация, — сказала Эрин Дули, — но только если она пойдет на пользу жителям района».
Свежие комментарии