Abwasser verrät, was ganze Städte essen – Forscher lesen Speisepläne aus DNA
DNA-Spuren im Abwasser zeigen, was ganze Städte essen und wie Einkommen, Herkunft und Wohnort den Speiseplan prägen.
Im Abwasser bleiben DNA-Spuren von Pflanzen und Tieren zurück. Daraus lässt sich ablesen, welche Lebensmittel in ganzen Städten auf den Tellern landen. © Pexels
Bierreste in wohlhabenden Vierteln, tropische Früchte in Einwanderungsregionen und Fisch an der Küste: Im Abwasser bleibt erstaunlich viel von der Ernährung einer Stadt zurück. Winzige DNA-Fragmente verraten, welche Pflanzen und Tiere auf den Tellern einer ganzen Region landen.
Wissenschaftler der Duke University und der University of North Carolina untersuchten dafür kommunales Abwasser in North Carolina. Die Proben stammten aus 21 Einzugsgebieten mit insgesamt 2,1 Millionen Menschen. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Wie Abwasser die Ernährung ganzer Gemeinden verrät
Insgesamt wertete das Team 183 Proben aus. Darin fanden die Wissenschaftler DNA von 184 pflanzlichen und 116 tierischen Lebensmittelgruppen. Die Analyse kostete weniger als einen US-Cent pro erfasster Person. Klassische Ernährungsbefragungen sind deutlich aufwendiger und teurer.
„Ungesunde Ernährung gehört weltweit zu den größten Ursachen chronischer Krankheiten“, sagt Studienleiter Lawrence A. David von der Duke University. „Bislang fehlte uns jedoch eine schnelle und objektive Methode, um zu erfassen, was Menschen essen.“ Die neue Technik solle diese Lücke verkleinern und Ernährung besser mit Gesundheit verbinden.
DNA ersetzt ungenaue Ernährungstagebücher
Bisher stützt sich die Ernährungsforschung häufig auf Fragebögen und Tagebücher. Doch Menschen vergessen Mahlzeiten, unterschätzen Portionsgrößen oder verschweigen ungesunde Lebensmittel. Zudem erreichen solche Erhebungen oft nur einen kleinen Teil der Bevölkerung.
Die Abwasseranalyse erfasst dagegen die gemeinsamen Spuren ganzer Wohngebiete. Sie untersucht keine einzelnen Haushalte und keine persönlichen Speisepläne. Das Verfahren liefert vielmehr ein statistisches Bild der Lebensmittel, die in einem größeren Einzugsgebiet gegessen und verarbeitet werden.
FoodSeq-FLOW sucht gezielt nach Lebensmittel-DNA
Die Methode trägt den Namen FoodSeq-FLOW. Die Abkürzung steht für „Food Landscape Observation in Wastewater“. Das Verfahren sucht gezielt nach zwei Arten genetischer Spuren: Chloroplasten-DNA aus Pflanzen und mitochondrialer DNA aus tierischen Lebensmitteln.
Diese Fragmente gelangen beim Kochen, Abwaschen und über menschliche Ausscheidungen in die Kanalisation. In der Kläranlage vermischen sie sich mit dem Abwasser Tausender Menschen. Anschließend ordnet eine Sequenzanalyse die Bruchstücke bekannten Pflanzen- und Tierarten zu.
Abwasserprofile passen zu untersuchten Stuhlproben
Zur Kontrolle verglich das Team die Abwasserwerte mit Ernährungsdaten aus 14 Stuhlproben. Beide Datensätze stimmten deutlich überein. Der statistische Zusammenhang erreichte einen Spearman-Wert von 0,64. Ein Wert von 1 würde eine vollständige Übereinstimmung bedeuten.
Bei tierischen DNA-Spuren war die Zuordnung besonders zuverlässig. 98 Prozent der erfassten Sequenzen gehörten zu bekannten Lebensmittelarten. Auch jahreszeitliche Veränderungen tauchten in den Proben auf. Bestimmte Pflanzen und Tiere erschienen häufiger, wenn sie regional verfügbar waren.
Einkommen verändert die Spuren im Abwasser
Die Zusammensetzung der Lebensmittel-DNA unterschied sich deutlich zwischen den untersuchten Gemeinden. In Gegenden mit höherem Pro-Kopf-Einkommen fanden die Wissenschaftler häufiger Hopfen. Die Pflanze ist ein wichtiger Bestandteil von Bier.
Der Zusammenhang bedeutet allerdings nicht, dass jede wohlhabende Person mehr Bier trinkt. Die Daten gelten nur für größere Gruppen. Sie beschreiben Unterschiede zwischen Einzugsgebieten und lassen keine Rückschlüsse auf einzelne Bewohner zu.
Einwanderung prägt den gemeinsamen Speiseplan
In Gemeinden mit einem höheren Anteil im Ausland geborener Menschen fanden sich häufiger tropische Früchte und Hülsenfrüchte. Solche Spuren können auf kulturell geprägte Essgewohnheiten und ein anderes Angebot in örtlichen Geschäften hinweisen.
„Abwasser bietet eine objektive Möglichkeit, Ernährungsmuster ganzer Gemeinden zu beobachten“, sagt Erstautorin Mengyi Dong. „Damit könnten Ernährungsprogramme und Maßnahmen zur Lebensmittelsicherheit gezielter geplant werden.“ Dong arbeitet inzwischen an der Virginia Tech.
Küstenorte essen andere Fische als das Inland
Auch die Lage einer Gemeinde ließ sich aus dem Abwasser herauslesen. In Küstenregionen tauchte mehr DNA von lokal gefangenen Fischen auf. Dazu gehörten Trommlerfische, Spanische Makrelen und Drückerfische.
Im Landesinneren beschränkten sich die Spuren dagegen auf weniger Fischarten. Besonders häufig fanden die Wissenschaftler Zuchtfische wie Atlantischen Lachs. Rachel T. Noble von der University of North Carolina sieht darin einen möglichen Ansatz für die regionale Versorgung. „Könnten wir die örtliche Fischerei stärker unterstützen und ihren Fang besser verfügbar machen? Offenbar könnten wir das.“
Abwasserdaten könnten Versorgungslücken sichtbar machen
Kommunen könnten mit der Methode prüfen, ob neue Supermärkte oder Ernährungsprogramme tatsächlich etwas verändern. Interesse besteht unter anderem im historischen Hayti-Viertel der Stadt Durham. Dort setzen sich lokale Initiativen für einen vollwertigen, von Schwarzen Eigentümern geführten Supermarkt ein.
„Wir könnten regelmäßiger gesündere Lebensmittel essen, weil wir dafür nicht mehr so weit fahren müssten“, sagt Anwohnerin Erin Dooley von der Initiative BLK South. Die Abwasserdaten könnten später erfassen, ob sich der Zugang zu frischen Lebensmitteln im Viertel tatsächlich auf die Ernährung auswirkt.
Die Analyse erfasst Gruppen, keine Einzelpersonen
Die Wissenschaftler wahren in ihren Analysen den Schutz der Privatsphäre. FoodSeq-FLOW untersucht große Abwasserströme und ordnet DNA-Spuren keiner Person zu. Namen, Adressen oder einzelne Haushalte lassen sich damit nicht bestimmen.
„Das Ergebnis ist eine Momentaufnahme der Gemeinde“, sagt Noble. Damit lasse sich erkennen, in welchen Regionen zusätzliche Angebote nötig sein könnten. Bestehende Abwassernetze aus der Corona-Pandemie könnten die Technik vergleichsweise schnell übernehmen. Damals entstanden vielerorts Labore und Probenwege, um Krankheitserreger im Abwasser zu verfolgen.
Kurz zusammengefasst:
- DNA-Spuren aus 183 Abwasserproben zeigten, welche pflanzlichen und tierischen Lebensmittel 2,1 Millionen Menschen in North Carolina konsumierten.
- Die Ernährungsmuster unterschieden sich je nach Einkommen, Einwanderung und Lage: Wohlhabendere Gebiete zeigten mehr Hopfen, Küstenorte mehr lokale Fischarten.
- FoodSeq-FLOW erfasst Ernährung ganzer Gemeinden günstig und ohne Einzelpersonen zu identifizieren; die Kosten lagen unter einem US-Cent pro Person.
Übrigens: Abwasser verrät nicht nur, was ganze Städte essen – Kläranlagen können daraus auch Dünger, Bioplastik und Wasserstoff gewinnen. Wie kommunales Schmutzwasser zur Rohstoffquelle wird, mehr dazu in unserem Artikel.
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