Grupo ICRATech (IV): Sociología Basada en el Análisis de Aguas Residuales

Tramo de alcantarillado de Londres. Fuente: Nautilus

El Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA) ha establecido un equipo que reune tecnología e imaginación para extraer información socioeconómica de los municipios a partir del análisis químico y microbiológico de las aguas residuales de sus ciudadanos, la llamada Sewer Sociology o Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales (SAAR).

¿Qué es la Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales?

La SAAR se podría definir como «la ciencia de la sociedad, las instituciones sociales y las relaciones sociales vistas a través de los ojos de una alcantarilla«. Hasta ahora, este término se ha utilizado en el marco de los estudios que analizan los flujos en las alcantarillas para extraer datos sobre el ritmo diario de la vida de las personas, pero se puede ir más allá del análisis de estos flujos. Por ejemplo, la medición de la concentración de sustancias químicas seleccionadas puede proporcionar información sobre los hábitos de vida y el estado de salud de la población. Esta práctica se denomina «Sewage Information Mining (SIM)» o minería de información química de aguas residuales (SCIM) cuando el foco está en los productos químicos. Dentro de la SIM se incluye la Epidemiología basada en el análisis de las aguas residuales,propuesto en 2001. Desde entonces se han realizado cientos de estudios para validar este concepto, entre los que se encuentran los basados en el análisis de la concentración de drogas ilícitas en las aguas residuales y la consiguiente estimación del consumo per cápita. Otras aplicaciones muy interesantes se han llevado a cabo, por ejemplo estimar la exposición de la población a los plaguicidas, cuantificar los productos farmacéuticos prescritos, los biomarcadores que pueden reflejar los hábitos de estilo de vida y el estado general de salud de la población.

La SAAR se está convirtiendo en un tema de actualidad

Los resultados y los conocimientos de la SAAR no sólo se limitan a la comunidad científica, de hecho, una serie de titulares de noticias como: «Lo que los residuos humanos pueden decirnos sobre los ingresos, la dieta y la salud» (Celina Ribeiro, Oct 2019, BBC), «Hay una diferencia desalentadora entre las aguas residuales de las zonas ricas y las de las zonas pobres» (Michelle Starr, Oct 2019, Science Alert), «Los científicos pueden saber cuán rico eres examinando tus aguas residuales» (Peter Hess, oct. 2019, Inverso) y «El estudio de las aguas residuales da pistas sobre el estatus socioeconómico y los hábitos de las personas» (Bob Yirka, oct. 2019, Phys.org), por nombrar sólo algunos, se publicaron en 2019. Así, la SAAR puede convertirse en una importante herramienta para identificar las amenazas, las necesidades, la salud y la riqueza de los seres humanos y la sociedad.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717331601#f0005

¿Cuál es la contribución del ICRA a la SAAR?

En el ICRA creemos que la SAAR puede utilizarse para la vigilancia de los factores de riesgo para la salud de la población, convirtiéndose en un valioso complemento de los métodos existentes, los cuales tienen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las encuestas por cuestionario tienen limitaciones debido a la falta de veracidad de las respuestas de los participantes y a las necesidades de ajustarse al presupuesto asignado. Las bases de datos de población (por ejemplo, los censos) y los registros médicos suelen carecer de datos socioeconómicos y de hábitos de vida, no son plenamente fiables ni completas y se actualizan con poca frecuencia (sólo una vez al año en los mejores casos).

El ICRA participa actualmente en dos proyectos internacionales que se ocupan de la SAAR. El proyecto SCOREwater tiene por objetivo extraer información socioeconómica de muestras de aguas residuales desde tres puntos de vista distintos: desde la ingeniería, con la elaboración de enfoques para la selección de puntos y diseño de estrategia de muestreo; desde la química, con el despliegue de métodos analíticos; y desde la perspectiva de la microbiología, con la estimación de la diversidad microbiana de las muestras de aguas residuales y la cuantificación de los genes resistentes a los antibióticos. SCOREwater cuenta con varios socios catalanes complementarios (ICRA, BCASA, s::can iberia, IERMB, EURECAT) que trabajan conjuntamente en el estudio del caso de Barcelona, donde 3 barrios serán monitorizados durante 1 año. Todos los datos analíticos se analizarán conjuntamente con la información recogida en las bases de datos de salud (medicamentosprescritos, hábitos de vida y estado de salud), con la información sobre la situación socioeconómica de los habitantes y con la información obtenida de las encuestas telefónicas. 

Por otro lado, el proyecto SCHEME se centra en el desarrollo de una metodología analítica para la determinación de biomarcadores de exposición humana a contaminantes químicos derivados de productos de cuidado personal y productos químicos industriales. La aplicabilidad de la metodología desarrollada por SCHEME se evaluará utilizando muestras de aguas residuales de 4 ciudades europeas.

Una introducción a la Epidemiología basada en el Análisis de las Aguas Residuales

El valor real de la información sociológica de las aguas residuales 

Aunque la SAAR esté de actualidad y tenga mucho potencial, los investigadores debemos ser realistas sobre las necesidades que el método puede satisfacer. Actualmente son posibles las siguientes aplicaciones:

  • Vigilancia del consumo de drogas ilícitas: Normalmente, esos tipos de vigilancia se llevan a cabo sobre la base de incautaciones, encuestas, demandas de tratamiento de drogas e ingresos hospitalarios relacionados con las drogas. Sin embargo, mediante el SCIM se puede obtener las cantidades de drogas ilícitas liberadas en una cuenca de alcantarillado específica. Este enfoque se ha llevado a cabo durante 7 años en varias ciudades europeas y otras ciudades. Gracias a él, fue posible encontrar tendencias y perfiles específicos del consumo de drogas ilícitas mucho antes que con otras fuentes de información (González-Mariño et al., 2020). El SCIM ha demostrado ser un instrumento sumamente flexible para su aplicación a diferentes escalas espaciales y temporales y puede poner en marcha medidas de mitigación casi en tiempo real (González-Mariño et al., 2020). 
  • Vigilancia del consumo de medicamentos: Estas ventas suelen registrarse en bases de datos de difícil acceso y no se actualizan con la frecuencia necesaria. El SCIM ha demostrado ser preciso en cuanto a reflejar el consumo de drogas ilícitas y medicamentos (van Nuijs y otros, 2015) (Choi y otros, 2018). 
  • Seguimiento de los brotes de enfermedades: En el proyecto Underworlds de América del Norte se ofrecen ejemplos de varias aplicaciones satisfactorias.
Workshop desarrollado en el ICRA sobre SAAR en noviembre de 2019

¿Qué podemos esperar en el futuro? La opinión de ICRATech, grupo de investigación consolidado de AGAUR

Hasta ahora, en el campo de la SAAR ha habido mucha presencia de químicos analíticos, pero con el fin de aprovechartodo el potencial de la Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales, necesitamos involucrar a otros científicos como epidemiólogos, ingenieros ambientales, sociólogos, médicos y organismos públicos como, por ejemplo, organismos públicos de salud. Además, como las posibilidades de las aplicaciones de la SAAR son muy variadas, es necesario trabajar en la definición de propuestas de valor con la participación de los principales interesados. En ese sentido, el ICRA organizó un taller dedicado a la SAAR con el objetivo de debatir varios temas entre los investigadores del agua de diferentes especialidades y, posteriormente, realizar una lluvia de ideas sobre posibles aplicaciones futuras… en menos de 30 minutos se recogieron ideas prometedoras! Además, algunas de estas ideas tenían un valor para la sociedad, otras tenían un mero valor científico y otras lo tenían a nivel comercial. A continuación, planteamos debates sobre la aplicabilidad, la utilidad y la ética de algunas de estas ideas. El principal resultado fue que la investigación en este campo debería realizarse siempre en asociación con las partes interesadas para garantizar que la información extraída sea útil. 

Por último, en el taller también discutimos que además de los productos químicos, las aguas residuales también contienen una cantidad ingente de microorganismos procedentes de las heces humanas y la diversidad microbiana podría estar potencialmente asociada al estado de salud de las poblaciones estudiadas. Sin embargo, recopilar información fiable de estas complejas comunidades microbianas no es sencillo, especialmente para la identificación de biomarcadores genéticos referentes a la salud. La obtención de datos genéticos es un desafío y requiere tanto una gran potencia de cálculo como el dominio de diferentes herramientas bioinformáticas.

Por todo lo dicho, en el ICRA nos encanta la Sociología basada en el Análisis de Aguas Residuales y abordaremos los desafíos metodológicos identificados en los dos proyectos europeos con entusiasmo y determinación.

Artículo escrito por el grupo de investigación ICRATech

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

Referencias

Bijlsma, L., Botero-Coy, A.M., Rincón, R.J., Peñuela, G.A., Hernández, F., 2016. Estimation of illicit drug use in the main cities of Colombia by means of urban wastewater analysis. Sci. Total Environ. 565, 984–993. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.05.078

Castiglioni, S., Senta, I., Borsotti, A., Davoli, E., Zuccato, E., 2015. A novel approach for monitoring tobacco use in local communities by wastewater analysis. Tob. Control 24, 38–42. https://doi.org/10.1136/tobaccocontrol-2014-051553

Choi, P.M., Tscharke, B.J., Donner, E., O’Brien, J.W., Grant, S.C., Kaserzon, S.L., Mackie, R., O’Malley, E., Crosbie, N.D., Thomas, K. V., Mueller, J.F., 2018. Wastewater-based epidemiology biomarkers: Past, present and future. TrAC-Trends Anal. Chem. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.06.004

Daughton, C.G., 2001. Illicit Drugs in Municipal Sewage. https://doi.org/10.1021/bk-2001-0791.ch020

Daughton, C.G., 2018. Monitoring wastewater for assessing community health: Sewage Chemical-Information Mining (SCIM). Sci. Total Environ.

Enfinger, K.L., Stevens, P.L., 2014. Sewer Sociology – The Days of Our (Sewer) Lives. Proc. Water Environ. Fed. https://doi.org/10.2175/193864706783761365

González-Mariño, I., Baz-Lomba, J.A., Alygizakis, N.A., Andrés-Costa, M.J., Bade, R., Barron, L.P., Been, F., Berset, J.D., Bijlsma, L., Bodík, I., Brenner, A., Brock, A.L., Burgard, D.A., Castrignanò, E., Christophoridis, C.E., Covaci, A., de Voogt, P., Devault, D.A., Dias, M.J., Emke, E., Fatta-Kassinos, D., Fedorova, G., Fytianos, K., Gerber, C., Grabic, R., Grüner, S., Gunnar, T., Hapeshi, E., Heath, E., Helm, B., Hernández, F., Kankaanpaa, A., Karolak, S., Kasprzyk-Hordern, B., Krizman-Matasic, I., Lai, F.Y., Lechowicz, W., Lopes, A., López de Alda, M., López-García, E., Löve, A.S.C., Mastroianni, N., McEneff, G.L., Montes, R., Munro, K., Nefau, T., Oberacher, H., O’Brien, J.W., Olafsdottir, K., Picó, Y., Plósz, B.G., Polesel, F., Postigo, C., Quintana, J.B., Ramin, P., Reid, M.J., Rice, J., Rodil, R., Senta, I., Simões, S.M., Sremacki, M.M., Styszko, K., Terzic, S., Thomaidis, N.S., Thomas, K. V., Tscharke, B.J., van Nuijs, A.L.N., Yargeau, V., Zuccato, E., Castiglioni, S., Ort, C., 2020. Spatio-temporal assessment of illicit drug use at large scale: evidence from 7 years of international wastewater monitoring. Addiction. https://doi.org/10.1111/add.14767

Ort, C., van Nuijs, A.L.N., Berset, J.D., Bijlsma, L., Castiglioni, S., Covaci, A., de Voogt, P., Emke, E., Fatta-Kassinos, D., Griffiths, P., Hernández, F., González-Mariño, I., Grabic, R., Kasprzyk-Hordern, B., Mastroianni, N., Meierjohann, A., Nefau, T., Östman, M., Pico, Y., Racamonde, I., Reid, M., Slobodnik, J., Terzic, S., Thomaidis, N., Thomas, K. V., 2014. Spatial differences and temporal changes in illicit drug use in Europe quantified by wastewater analysis. Addiction 109, 1338–1352. https://doi.org/10.1111/add.12570

Rousis, N.I., Zuccato, E., Castiglioni, S., 2017. Wastewater-based epidemiology to assess human exposure to pyrethroid pesticides. Environ. Int. https://doi.org/10.1016/j.envint.2016.11.020

Ryu, Y., Gracia-Lor, E., Bade, R., Baz-Lomba, J.A., Bramness, J.G., Castiglioni, S., Castrignanò, E., Causanilles, A., Covaci, A., De Voogt, P., Hernandez, F., Kasprzyk-Hordern, B., Kinyua, J., McCall, A.K., Ort, C., Plósz, B.G., Ramin, P., Rousis, N.I., Reid, M.J., Thomas, K. V., 2016. Increased levels of the oxidative stress biomarker 8-iso-prostaglandin F 2α in wastewater associated with tobacco use. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/srep39055

Senta, I., Gracia-Lor, E., Borsotti, A., Zuccato, E., Castiglioni, S., 2015. Wastewater analysis to monitor use of caffeine and nicotine and evaluation of their metabolites as biomarkers for population size assessment. Water Res. 74, 23–33.

Thomaidis, N.S., Gago-Ferrero, P., Ort, C., Maragou, N.C., Alygizakis, N.A., Borova, V.L., Dasenaki, M.E., 2016. Reflection of Socioeconomic Changes in Wastewater: Licit and Illicit Drug Use Patterns. Environ. Sci. Technol. 50, 10065–10072. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b02417

Van Nuijs, A.L.N., Covaci, A., Beyers, H., Bervoets, L., Blust, R., Verpooten, G., Neels, H., Jorens, P.G., 2015. Do concentrations of pharmaceuticals in sewage reflect prescription figures? Environ. Sci. Pollut. Res. https://doi.org/10.1007/s11356-014-4066-2