Jäteveden hyödyntäminen väestön terveyden ja hyvinvoinnin seurannassa

Jätevesi on elämän peili. Se muodostuu vesistä, jotka päätyvät viemäriin viemäriverkoston piirissä olevista kotitalouksista ja muista alueen kiinteistöistä. Erityisesti yhdyskuntien vessa- ja pesuvedet sisältävät kattavasti alueella asuvien ja siellä vierailevien ihmisten ulosteeseen ja virtsaan erittyviä mikrobeja ja kuluttajakemikaaleja sekä muita altisteita tai niiden vaikutuksesta elimistössä syntyviä yhdisteitä. Jätevesitutkimus tarjoaa poikkeuksellisen lähestymistavan väestötason elintapa- ja terveysmuutosten arviointiin: edustavuus on laaja ja tiedontuotanto lähes reaaliaikaista.

Menettely toimii parhaiten, kun jätevedestä otetaan näytteitä säännöllisesti ja tulosten tulkinnassa huomioidaan mahdollisimman laajasti alueelliset, esimerkiksi viemäriverkoston kattavuuteen liittyvät erityispiirteet. Jätevesitutkimuksen hyödyntäminen vaatii tutkittavaa ilmiötä kuvaavan indikaattoriyhdisteen, joka on riittävän pysyvä ja jota ei muodostu jätevesissä.

Jätevesiseurannan toimintaperiaate ei ole uusi. Menettelyä on käytetty Suomessa jo vuosikymmenien ajan ja viime vuosina myös maailmanlaajuisesti polioviruksen torjuntatoimien onnistumisen seurantatyökaluna (1). Polioviruksen etsiminen nimenomaan jätevesistä on keskeistä, sillä väestössä voi olla oireettomia henkilöitä, jotka voivat erittää virusta ulosteisiinsa viikkokausia ennen kuin yhtään sairastumista ilmenee (2).

Poliovirusseurannan ohella jätevesitutkimuksilla tuotetaan täsmällistä ja ajantasaista kuvaa Suomen kansallisesta huumetilanteesta ja sen alueellisesta kehittymisestä (3). Kun tuloksiin yhdistetään tietoa muista tietolähteistä, viranomaiset ja esimerkiksi terveyden- ja päihdehuollon asiantuntijat voivat yhteistyössä päästä entistä tarkempaan tilannekuvaan ja tehokkaampaan tiedonvälitykseen (4). Jätevesitutkimusten avulla on pyritty arvioimaan myös esimerkiksi alkoholin kulutusta, tupakointia, oksidatiivisen stressin määrää sekä elintapoja, muun muassa hygieniatuotteiden ja keinotekoisten makeutusaineiden käyttöä (5).

Suurin osa ympäristön lääkejäämistä syntyy ihmisten käyttämistä ja jäteveteen eritetyistä lääkkeistä. Suomessa on arvioitu muun muassa sairaaloiden pistekuorman osuutta lääkepäästöissä kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa (6) ja selvitetty osana kansainvälisiä tutkimusyhteenliittymiä antibioottiresistenssigeenien esiintymistä viemärivedessä (7,8).

Juomaveden joukkoon päätyessään jätevesi on pelätty vesivälitteisten infektioepidemioiden aiheuttaja. Juomaveden saastumisen seurauksena voi syntyä useita samanaikaisia infektioita, koska jätevesi kokoaa alueen väestössä kulloinkin kiertäviä tartuntatauteja aiheuttavia mikrobeja (9). Jätevesiseurantaa onkin toistuvasti esitetty hyödynnettäväksi monien erilaisten tarttuvien tautien seurantatyökaluna. Erityisesti esillä on ollut nopeasti leviävien viruspandemioiden aiheuttamiseen kykenevien mikrobien, kuten SARS:in ja ebolan, aiheuttamiin uhkiin varautuminen sekä antibioottiresistenttien bakteerien esiintymisen seuranta (10).

Toistaiseksi laajamittaiset jätevesiseurannan käytännön sovellukset ovat poliovirus- ja huumeseurantaa lukuun ottamatta pitkälti toteutumatta. Menetelmän mahdollisuudet terveydenhuollon tilannekuvan kirkastamisessa ovat kuitenkin saaneet paljon huomiota uuden koronaviruksen jätevesiseurannan ansiosta.

Kansallinen koronaviruksen jätevesiseuranta

Suomessa THL on kerännyt jätevesinäytteitä koronaviruksen määrittämiseksi huhtikuun 2020 puolivälistä alkaen yhteistyössä seurantaan osallistuvien jätevedenpuhdistamojen ja Tampereen yliopiston kanssa. Koronaviruksen jätevesiseurantaan ei ole vielä käytettävissä kansainvälisestikään tarkasteltuna vakiintuneita menetelmiä (11). Seurannan mahdollistava ultrasuodatus- ja kvantitatiivinen käänteiskopiointi PCR-menetelmä (RT-qPCR) (12) pystytettiin THL:n Kuopion toimipisteeseen hollantilaisen tutkimusryhmän maaliskuussa 2020 julkaiseman mallin mukaisesti kevään ja kesän 2020 aikana (13). Menetelmä poikkeaa oleellisesti poliovirusseurannassa käytettävästä Hovin ym. (2) kuvaamasta kaksikerrosmenetelmästä.

Koronavirusanalyysi perustuu N2-geenialueen testaamiseen, ja sen on julkaissut Yhdysvaltain tartuntatautivirasto CDC (14). SARS-CoV-2 virukselle spesifinen RNA-testi ei kerro viruksen elinkyvystä tai tartuttavuudesta (15,16), vaan siitä, esiintyykö koronavirusta viemäriverkoston piirissä olevissa kotitalouksissa vai ei. Seurannan toimintaperiaate on esitetty kuviossa 1.

Näytekeräys koronaviruksen toteamiseksi toteutetaan kaikkiaan 28 jätevedenpuhdistamolla. Tätä nykyä näytteet otetaan viikoittain Helsingin, Turun, Tampereen, Kuopion ja Oulun puhdistamoilta. Lisäksi näytteitä kerätään kaksi kertaa kuukaudessa seuraavilta paikkakunnilta: Espoo, Maarianhamina, Kotka, Kouvola, Lahti (kaksi puhdistamoa), Hämeenlinna, Lappeenranta, Pori, Mikkeli, Savonlinna, Jyväskylä, Joensuu, Seinäjoki, Vaasa, Kokkola, Kajaani, Kemi, Rovaniemi, Salo, Rauma, Pietarsaari ja Vihti (17).

Näytekeräyksen nopea aloittaminen pian koronaviruspandemian rantauduttua Suomeen ja kansallisesti kattava toteutus joka toinen viikko (noin 60 % Suomen väestöstä) olivat mahdollisia THL:n huumausaineiden käyttöä kartoittavan seurantatutkimuksen ansiosta (18,19). Näytteenottopaikkakunnat ovat molemmissa seurannoissa samat, mikä on resurssitehokasta. Pääpaino näytteenotoissa on jätevedenpuhdistamoille tulevan käsittelemättömän veden 24 tunnin kokoomanäytteissä. Osalla näytteenottokerroista näytteitä kerätään myös puhdistamolta lähtevästä puhdistetusta jätevedestä ja jätevesilietteestä.

Koronaviruksen jätevesiseuranta otettiin elokuun 2020 alusta lukien osaksi THL:n kansallista epidemiaseurantaa. THL julkaisee uudet tulokset verkkosivuillaan viikoittain tiistaisin puoliltapäivin (20). Tulosten tulkinnan kannalta on tarpeellista huomioida, että seurantapaikkakunnalla tarkoitetaan kuntaa, jolla jätevedenpuhdistamo sijaitsee. Yhden puhdistamon viemäriverkosto voi kattaa myös muita kuntia. Toisaalta on mahdollista, että yhden kunnan alueella sijaitsee useampia puhdistamoita.

Epidemian tilannekuvan mukaisesti koronaviruksen esiintyminen jätevesinäytteissä yleistyi syksyn 2020 edetessä (kuvio 2). Lokakuun alussa koronavirusta oli selvästi nähtävissä peräti 18:lla tutkituista 28 puhdistamosta, ja lisäksi epävarmaksi jäänyt havainto viruksesta saatiin neljältä puhdistamolta (20). Näistä havainnoista kaksi on peräisin tulevan jäteveden sijasta raakalietteestä, jolla tarkoitetaan tulevasta jätevedestä puhdistusprosessin aikana eroteltua lietettä ennen lietteen käsittelyä. Lokakuun 4.–6. päivänä koronavirustulos jäi negatiiviseksi vain Kemistä, Oulusta, Porista, Raumalta, Kouvolasta ja Lappeenrannasta kerätyissä jätevesinäytteissä. Seuranta jatkuu ainakin vuoden 2021 elokuun loppuun saakka.

Suomessa jätevesien koronaviruslukumäärät ovat olleet varsin maltillisia. Tähän on syynä paitsi melko pieni väestötiheys, myös muiden kuin ihmisperäisten jätevesien suhteellisen suuri osuus viemärivedessä (teollisuuden jätevedet ja viemäreihin päätyneet hulevedet). Vasta COVID-19-epidemian toisen aallon voimistuessa syksyn 2020 aikana muutamilla paikkakunnilla SARS-CoV-2-RNA-lukumäärät ylittivät jätevesimenetelmän määritysrajan. Jo tätä pienempien RNA-lukumäärien tapauksessa on mahdollista todeta, onko jätevedessä koronavirusta vai ei, mutta vasta määritysrajan ylittävien tulosten RNA-lukumäärä voidaan määrittää.

Ennen kuin tarkkoja lukumäärätuloksia pystytään raportoimaan, menetelmä vaatii vielä lisäselvityksiä tulosten luotettavuuteen vaikuttavista tekijöistä. Näitä tekijöitä ovat muun muassa koronaviruksen säilyvyys kuljetuksen ja säilytyksen aikana ennen analyysia sekä jäteveden sisältämät, menetelmän havaitsemisherkkyyttä mahdollisesti häiritsevät tekijät (21). Lisäksi raportoinnin osalta tarvitaan lisätietoa viemäriverkostojen piirissä olevien asukkaiden lukumäärästä suhteessa tartuntatautirekisteri-ilmoitusten tilastointipaikkakuntiin.

Jo nyt on huomattu, että jäteveden koronavirusseuranta voi tarjota kustannustehokkaan seurantavaihtoehdon erityisesti tilanteissa, joissa kaikkia oirehtivia kansalaisia ei haluta tai voida testata. Tällä hetkellä jätevesiseurannan tulokset tukevat henkilötestauksesta saatavia tuloksia. Jäteveden koronaviruslöydöksiä voidaan käyttää ennakkovaroituksena viruksen ilmestymisestä tietylle paikkakunnalle. Tällainen varhaisvaroitus voidaan saada jopa ennen kuin tartuntoja todetaan henkilötestauksessa. Mikäli koronavirusta havaitaan jätevedestä, mutta tartuntatautirekisteriin ei ole kirjattu alueelta tartuntoja kahden edeltävän viikon aikana, viemäriverkoston piirissä voi olla tunnistamattomia tartunnan kantajia. Hälyttävistä tuloksista ilmoitetaan välittömästi kunnan tartuntataudeista vastaavalle lääkärille. Varoitusmerkkinä tartuntatilanteen huononemisesta toimii myös jäteveden koronaviruslukumäärän kasvaminen suhteessa nopeampaan tahtiin kuin henkilötestauksessa todetut tartunnat.

Huumausaineiden käytön seuranta jätevesitutkimusten avulla

Huumausaineiden käytön määrän arviointi edustavasti väestötasolla on vaikeaa. Käyttäjiä on jo lähtökohtaisesti vaikea saavuttaa, koska kyse on laittomasta toiminnasta. Toisaalta käyttäjä voi harvoin olla täysin varma käyttämistään yhdisteistä tai käytetyn aineen pitoisuudesta.

Huumausaineiden käyttö on Suomessa lisääntymään päin (22), ja tarve käytöstä kertovalle tiedolle kasvaa. Jätevesitutkimuksilla saadaan lähes reaaliaikaisesti riippumatonta tietoa useiden keskeisten huumausaineiden käytöstä jätevesiverkoston alueella (3). Kerättyjen näytteiden sisältämien huumausaineiden tai niiden aineenvaihduntatuotteiden pitoisuudet määritetään tyypillisesti laboratorio-olosuhteissa hyvin herkillä kromatografis-massaspektrometrisilla menetelmillä (23), joita käytetään esimerkiksi veri- ja virtsanäytteiden oikeustoksikologisissa tutkimuksissa. Huumausainetilanteen tunteminen on keskeistä alueellisessa, kansallisessa ja kansainvälisessä poliittisessa päätöksenteossa sekä kartoitettaessa toimenpiteitä muun muassa päihdehaittojen ehkäisemiseksi. Myös perusterveydenhuollon ja useiden erikoisalojen toimijoiden on hyödyllistä olla tietoisia huumausainetilanteen yleisestä kehittymisestä.

THL:n vuonna 2012 aloittama kansallinen jätevesiseuranta huumausaineiden käytön arvioimiseksi on väestömäärään suhteutettuna yksi maailman kattavimmista (kuten edellä mainittu, jätevesiseuranta kattoi vuonna 2020 noin 60 % Suomen väestöstä). Suomen tulokset raportoidaan myös osana Euroopan huumausaineiden seurantakeskuksen (EMCDDA) vuosittain julkaisemaa kansainvälistä jätevesitutkimusta (24). Valtakunnallisia tuloksia on tarkasteltu sekä kansallisina (18) että pohjoismaisena (25) ja kansainvälisenä vertailuna (26).

Suomessa on viime vuosina lisääntynyt etenkin amfetamiinin käyttö, jota on käytetty jo pitkään ja hyvin laajalti. Lisääntynyt on myös kokaiinin tuonti ja käyttö. Sen käyttö tosin painottuu edelleen voimakkaasti pääkaupunkiseudulle, toisin kuin esimerkiksi amfetamiinin, jota todetaan laajalti koko maassa (19). Eri huumausaineista saadut tulokset suhteutetaan aina puhdistamon toiminta-alueen asukasmäärään sekä puhdistamolla mitattuun jäteveden virtaamaan.

Jätevesitutkimusten avulla voidaan jo nykyisin todeta tehokkaasti määrällisiä muutoksia useiden eri huumausaineiden käytössä. Poikkeuksen keskeisistä Suomessa ongelmakäytössä esiintyvistä yhdisteistä muodostaa buprenorfiini, jonka käyttöä ei pystytä vielä luotettavasti määrällisesti mittaamaan.

Jätevesitutkimusten perusteella voidaan esimerkiksi todeta, että huolimatta koronavirustilanteesta ja poikkeuksellisista olosuhteista amfetamiinin käyttö oli ennätyksellisellä tasolla pääkaupunkiseudulla lokakuun alussa 2020. Tämä selviää pääkaupunkiseudun lähes reaaliaikaisesta jätevesiseurannasta (kuvio 3). Sen avulla on todettu jo varhaisessa vaiheessa useita kansallisia muutoksia huumetilanteessa, esimerkiksi vuonna 2016 voimakas metamfetamiinin käytön kasvu, joka sittemmin palautui matalalle tasolle. Toisaalta mahdollisen huumekäytön lisäksi esimerkiksi opioidikorvaushoito- ja kipulääkkeenä käytetyn metadonin käyttömäärät ovat pysyneet jätevesitutkimusten perusteella pääkaupunkiseudulla hyvin vakiona koko seurantajakson ajan vuodesta 2013 lähtien.

Jätevesiseurannan hyödyntämismahdollisuudet

Ideaalisesti toimiakseen jätevesiseurannan tulisi tuottaa reaaliaikaisesti paikkakuntakohtaista tietoa tarkasteltavien muuttujien esiintyvyydestä ja määrästä sekä niiden muutoksista. Kaikkein tehokkaimmin ajantasainen kuva paikallisesta tilanteesta saavutettaisiin kehittämällä ja ottamalla jätevedenpuhdistamoilla tai pienalueiden jätevedenpumppaamoilla käyttöön on site -mittalaitteita, jotka toimisivat lämpötilaseuranta-antureiden tapaan reaaliajassa (27). Tällöin esimerkiksi näytteenoton ajoittamiseen liittyvä mahdollinen tulosten vaihtelu ja näytteiden laboratorioon kuljettamisesta aiheutuva viive eivät vaikuttaisi tulosten hyödynnettävyyteen. Seurannasta voisi olla hyötyä esimerkiksi tartuntatautien torjunnassa erilaisissa riskikohteissa, kuten sairaaloissa, yliopistokampuksilla, tehdasalueilla, suurilla rakennustyömailla sekä henkilöliikenteen terminaaleissa. Toisaalta hyvin pieniin, vain pienen väestönosan tilannetta kuvaaviin kiinteistökokonaisuuksiin mentäessä nousevat esiin myös eettiset ja laillisuuskysymykset sekä niiden arviointi suhteessa mahdollisesti saavutettaviin yhteiskunnallisiin hyötyihin.

Vielä ollaan kuitenkin kaukana edellä kuvatusta ideaalitilanteesta paikan päällä käytettävine mittalaitteineen. Odoteltaessa sensoriteknologian kehittymistä käytännön sovelluksiksi luotettavat jätevesipohjaiset seurantatulokset tuotetaan analyysilaboratorioihin tutkittaviksi toimitetuista kokoomanäytteistä. Myös tämänkaltainen harvemmin toteutettava jätevesiseuranta tuottaa tietoa, jota on muilla menetelmillä vaikeaa saada yhtä nopeasti. Esimerkkinä tästä toimii Suomessa viidellä paikkakunnalla säännöllisesti toteutettava poliovirusseuranta (2,28). Koronaviruksen jätevesiseurannan osalta seuraavat askeleet määrittää rokotesuojan saavuttamisen onnistuminen. On mahdollista, että poliovirusseurantaa vastaava jätevesitietojen käyttö varmistusmenettelynä jää käyttöön myös koronaviruksen osalta (29).

Kaiken kaikkiaan jätevesi on tätä nykyä potentiaaliinsa nähden alihyödynnetty resurssi terveyden ja hyvinvoinnin seurannassa. Jo käynnissä olevissa seurannoissa kerättävää näytemateriaalia voitaisiin hyödyntää nykyistä monipuolisemmin esimerkiksi menetelmien kehittämiseksi tuleviin pandemioihin varautumiseen ja tartuntatautien ja moniresistenttien bakteerien ilmaantuvuuden paikkakuntakohtaiseksi selvittämiseksi (30). Tulevaisuudessa jätevesiseurannan avulla pystytään mahdollisesti havaitsemaan ajallisia ja paikallisia väestön terveyteen ja hyvinvointiin liittyviä trendejä ja jopa löytämään sellaisia taudinaiheuttajia tai väestön hyvinvointia kuvaavia ilmiöitä, joita ei ole Suomessa aiemmin havaittu tai tehokkaasti tunnistettu.

Keskeisiä kysymyksiä ovat, kuinka paljon terveyttä ja elintapoja kuvaavia indikaattoriyhdisteitä jätevedestä pystytään tunnistamaan, miten hyviä analyysimenetelmiä näille indikaattoreille saadaan kehitettyä ja miten hyvin eri viemäriverkostojen ympäristö- ja teknisten olosuhteiden aiheuttamat muutokset opitaan huomioimaan käytettäessä tuloksia väestötason seurantaan (10). Edustavien tulosten saamiseksi seurantatutkimusohjelmien tulee olla huolellisesti suunniteltuja, riittävän kattavia ajallisesti ja paikallisesti ja myös hyödyntää mahdollisimman kattavasti muista tietolähteistä saatavaa taustatietoa. Ilmiöistä saadaan usein kattavampi kuva yhdistämällä jätevesitutkimuksen tuloksia muulla tavoin tuotettuun tilastotietoon ja tutkimustuloksiin. Seurantajärjestelmien kehittäminen ja tulosten tulkinta väestötasolla vaativat asiantuntija- ja tutkimusverkostojen monitieteellistä osaamista.

Lopuksi

Jätevesiseurannan hyödyntämisen myötä olemme saaneet huomata, että puhdistamaton jätevesi ei ole pelkästään ympäristöä ravinteilla, mikrobeilla ja haitta-aineilla kuormittavaa jätettä. Se on myös arvokas terveyden ja hyvinvoinnin tilaa kuvaava tietovaranto.

Tartuntatautien torjunnan ja terveyden suojelun näkökulmasta jätevesiseurannan tulokset korostavat toimivan vesihuollon tärkeyttä. Jätevesi on todella rikas tartuntatauteja aiheuttavien mikrobien ja erilaisten kemiallisten yhdisteiden, kuten huumausaineiden ja lääkkeiden lähde. Siksi se on pidettävä tarkasti erillään juoma- ja uimavesivarannoista ja puhdistettava tehokkaasti ennen purkuvesistöihin päästämistä.

Viemäriverkoston paikkakuntakohtainen kokoava luonne tarjoaa resurssitehokkaan mahdollisuuden monenlaisen väestötason seurantatiedon keräämiseen ja mittaamiseen aina alueellisesta tarkastelusta kansainvälisiin vertailuihin. Lähtökohtaisesti samankaltaisilla seurannan periaatteilla voidaan arvioida hyvinkin erilaisia muuttujia uusista näkökulmista.

Kiinnostus tuottaa ennakoivaa tietoa väestön terveyttä ja hyvinvointia uhkaavista trendeistä on kansainvälisesti kasvussa, ja jätevesiseurannan mahdollisuuksiin kannattaakin tarttua myös kansallisesti.

Koronaviruksen jätevesiseurannan käynnistämiseen saatu projektirahoitus: maa- ja metsätalousministeriö, 4400T-0807; valtion lisätalousarviossa COVID-19 -tutkimukseen osoitettu THL:n koordinoima rahoitus.