Abwasser-DNA zeigt Ernährungsmuster in Gemeinden von North Carolina

Kommunales Abwasser erweist sich als unerwartete Datenquelle für die Ernährungsforschung. Forschende haben herausgefunden, dass sich damit abschätzen lässt, was ganze Stadtviertel essen – ganz ohne Befragungen oder Ernährungstagebücher.

Eine aktuelle Untersuchung wertete DNA-Fragmente aus Abwasserproben in ganz North Carolina aus. Die Spuren im Abfluss spiegelten dabei Einkommensverhältnisse, Migrationsmuster und regionale Unterschiede auffallend genau wider.

Geleitet wurde die Studie von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Duke University School of Medicine sowie der University of North Carolina at Chapel Hill.

Das Team untersuchte Abwasser aus 19 Gemeinden in North Carolina, die zusammen 2,1 Millionen Menschen umfassen. Aus kleinsten Pflanzen- und Tier-DNA-Fragmenten rekonstruierten die Forschenden übergeordnete Ernährungsmuster der jeweiligen Bevölkerung.

Bier, Obst und Fisch erzählen unterschiedliche Geschichten

Die ermittelten Muster standen in engem Zusammenhang mit den demografischen und wirtschaftlichen Unterschieden zwischen den Gemeinden.

In wohlhabenderen Vierteln fanden sich häufiger Spuren von Hopfen, einer zentralen Zutat von Bier. Regionen mit einem höheren Anteil im Ausland geborener Menschen wiesen hingegen Hinweise auf den Verzehr tropischer Früchte und Bohnen auf.

An der Küste enthielt das Abwasser deutliche Signaturen einer stark von Meeresfrüchten geprägten Ernährung, darunter lokal gefangene Arten wie Trommelfische, Spanische Makrelen und Drückerfische.

„Eine schlechte Ernährung zählt weltweit zu den wichtigsten Ursachen chronischer Krankheiten, doch bislang gab es keine schnelle, objektive Methode, um zu erfassen, was Menschen essen“, sagte der leitende Autor Lawrence A. David, Mitglied des Duke Microbiome Center.

„Diese Studie trägt dazu bei, diese Lücke zu schließen, damit wir Ernährung besser mit Gesundheit verknüpfen können.“

Eine Lücke in der Ernährungsforschung

Seit Jahrzehnten stützen sich Ernährungsforschende auf Ernährungstagebücher und Befragungen, um den Speiseplan von Menschen nachzuvollziehen. Diese Verfahren gelten jedoch als teuer, zeitaufwendig und unzuverlässig.

Menschen erinnern sich nicht an alles, was sie gegessen haben, geben ungesunde Entscheidungen zu selten an oder werden gar nicht erst befragt.

Zudem sind gerade jene Gemeinden, die besonders stark von ernährungsbedingten Krankheiten betroffen sind, mit den herkömmlichen Instrumenten oft am schwierigsten zu erfassen.

Um diese Einschränkungen zu umgehen, entwickelten Duke-Forschende FoodSeq-FLOW. Die DNA-Sequenzierungsplattform soll Abwasser nach Hinweisen darauf durchsuchen, was Gemeinschaften tatsächlich essen und zubereiten.

Die Erstautorin der Studie, Mengyi Dong, leitete während ihrer Zeit an der Duke University die Genomanalyse und übersetzte rohe DNA-Sequenzen in identifizierbare Pflanzen- und Tierarten.

Abwasserüberwachung aus der COVID-19-Zeit

Der Ansatz knüpft unmittelbar an die Infrastruktur zur Abwasserüberwachung an, die sich während COVID-19 rasch verbreitete.

Virusfragmente, die über menschliche Ausscheidungen in das Abwasser gelangten, ermöglichten Gesundheitsbehörden, Ausbrüche in Echtzeit zu erkennen und zu verfolgen.

Inzwischen wird dieselbe Infrastruktur eingesetzt, um verschiedene Infektions- und Atemwegserkrankungen zu überwachen. Forschende erweitern ihren Einsatz nun noch weiter – weit über die reine Krankheitserkennung hinaus.

Mithilfe der neuen Sequenzierungsplattform analysierte das Team Proben aus acht Kläranlagen in drei Regionen North Carolinas. Sie stammten aus zwei getrennten Untersuchungszeiträumen: von Juni bis Dezember 2020 sowie aus Juni 2021.

„Abwasser bietet eine objektive Möglichkeit, Ernährungsmuster in gesamten Gemeinden zu beobachten, und könnte gezieltere Programme für Ernährung und Ernährungssicherheit unterstützen“, sagte Dong, die heute außerordentliche Professorin am Seafood Agricultural Research and Extension Center von Virginia Tech ist.

„Ernährungssicherheit bedeutet nicht nur, dass ausreichend Lebensmittel vorhanden sind. Sie bedeutet auch, dass Gemeinden Zugang zu gesunden, nahrhaften Optionen haben.“

Ein Werkzeug mit praktischen Einsatzmöglichkeiten

Die möglichen Anwendungen wecken bereits das Interesse lokaler Gemeinschaften.

Im historischen Hayti-Viertel von Durham arbeiten örtliche Führungspersönlichkeiten daran, einen vollsortimentierten, in schwarzem Besitz befindlichen Supermarkt anzusiedeln.

Sie betrachten diese Art von Daten als Möglichkeit, die messbaren Auswirkungen eines solchen Geschäfts in einem Gebiet zu belegen, das als Lebensmittelwüste beschrieben wurde.

„Dadurch könnten wir häufiger gesündere Lebensmittel essen, weil wir nicht so weit fahren müssten, um sie zu bekommen“, sagte Erin Dooley, Mitgründerin von BLK South und Bewohnerin der Grant Street Community.

„Das Besondere an Dr. Davids Forschung ist, dass sie nicht nur harte Fakten und Daten liefert, sondern auch unsere gelebten Erfahrungen bestätigt.“

Validierung der Methode

Um zu prüfen, ob die Abwasserdaten tatsächlich verlässlich sind, verglichen die Forschenden die gefundenen DNA-Muster mit Ernährungsdaten aus 14 Stuhlproben, die im Juni 2021 in Durham gesammelt worden waren.

Beide Datenquellen stimmten eng überein. Das deutet darauf hin, dass die abwasserbasierte Erfassung die lokale Ernährung präzise abbilden kann, statt nur eine grobe Annäherung zu liefern.

Die Forschenden betonen ausdrücklich, dass es nicht darum geht, einzelne Personen zu überwachen, sondern umfassende Muster auf Ebene der Gemeinschaft zu messen.

Indem die Abwasseranalyse Ernährungsinformationen ganzer Bevölkerungsgruppen erfasst, ohne bestimmte Personen zu identifizieren, könnte sie tatsächliche Lücken in den öffentlichen Gesundheitsdaten schließen und zugleich die Privatsphäre des Einzelnen schützen.

„Das Ergebnis ist eine Momentaufnahme der Gemeinschaft, die dabei hilft zu verstehen, wo Ressourcen benötigt werden“, sagte die Mitautorin Rachel T. Noble, Professorin für Meereswissenschaften an der UNC-Chapel Hill.

Folgen für lokale Lebensmittelgemeinschaften

Noble zufolge können die an der Duke University entwickelten DNA-Marker Nahrungsquellen mit bemerkenswerter Genauigkeit identifizieren.

So zeigten die Daten beispielsweise, dass Gemeinden im Landesinneren stark von nur wenigen Meeresfrüchtearten abhängen. Besonders häufig handelt es sich um Zuchtfische wie Atlantischen Lachs, statt das breitere Spektrum lokaler oder regionaler Angebote zu nutzen, das andernorts im Bundesstaat verfügbar ist.

„Könnten wir mehr tun, um lokale Fischereien zu unterstützen und ihre Meeresfrüchte besser verfügbar zu machen? Es sieht so aus, als könnten wir das ganz eindeutig“, schloss Noble.