Введение

Биомаркер для человеческих фекалий

5β-Копростанол (5β-холестан-3β-ол) — это 27-углеродный станол, образующийся в результате редуктивного метаболизма холестерина (холест-5-ен-3β-ол) в кишечнике большинства высших животных и птиц. Это соединение часто используется в качестве биомаркера для определения присутствия человеческих фекалий в окружающей среде. Считается, что 5β-копростанол образуется исключительно в результате бактериальной деятельности.

Растворимость

Копростанол 5β имеет низкую растворимость в воде и, следовательно, высокий коэффициент распределения между октанолом и водой. Иными словами, сродство копростанола 5β к октанолу почти в 1 миллиард раз выше, чем к воде. Это означает, что в большинстве экологических систем копростанол 5β будет связан с твердой фазой.

Деградация

В анаэробных отложениях и почвах 5β-копростанол сохраняется на протяжении многих сотен лет, что позволяет использовать его как показатель прошлых выделений фекалий. Благодаря этому, данные о содержании 5β-копростанола из палеоэкологических архивов применялись для более точного определения времени появления поселений человека в регионе, а также для реконструкции относительных изменений численности населения и сельскохозяйственной деятельности на протяжении нескольких тысяч лет.

Химический анализ

Поскольку молекула содержит гидроксильную (OH) группу, она часто связывается с другими липидами, включая жирные кислоты; поэтому в большинстве аналитических методов используют сильный щелочной раствор (KOH или NaOH) для омыления эфирных связей. Типичные растворители для экстракции включают 6% раствор KOH в метаноле. Свободные стеролы и станолы (насыщенные стеролы) затем отделяют от полярных липидов путем распределения в менее полярный растворитель, такой как гексан. Перед анализом гидроксильную группу часто модифицируют с помощью BSTFA (бис(триметилсилил)трифторацетамид), чтобы заменить водород менее подвижной триметилсилильной (TMS) группой. Инструментальный анализ часто проводят на газовом хроматографе (ГХ) с детектором ионизации по пламени (FID) или масс-спектрометром (MS). Масс-спектр 5β-копростанола TMS-эфира представлен на рисунке. В качестве альтернативы, для определения копростанола в положительном режиме также могут применяться методы жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС) с использованием химической ионизации при атмосферном давлении (APCI).

Источники фекалий

5β-копростанол образуется в результате превращения холестерина в копростанол в кишечнике большинства высших животных под действием кишечных бактерий. Общепринято считать, что метаболизм холестерина в копростанол кишечными бактериями происходит не напрямую, посредством восстановления двойной связи Δ5,6, а косвенно, через кетоновые промежуточные соединения, что можно увидеть на рисунке, предложенном Grimalt et al. (1990). + Список животных, у которых 5β-копростанол был обнаружен в фекалиях. Животные, производящие копростанол Животные, НЕ производящие копростанол Люди Собаки Крупный рогатый скот Овцы Птицы? Однако существует небольшое количество животных, которые не производят 5β-копростанол, и они перечислены в таблице.

Используется в качестве трассировщика для сточных вод

Основным источником 5β-копростанола в окружающей среде являются человеческие экскременты. Концентрация 5β-копростанола в сырых, необработанных сточных водах составляет приблизительно 2-6% от массы сухого вещества. Эта относительно высокая концентрация и стабильность позволяют использовать его для оценки фекального загрязнения в образцах, особенно в донных отложениях.

Соотношение 5β-копростанол / холестерин

Поскольку 5β-копростанол образуется из холестерина в кишечнике позвоночных, отношение концентрации продукта к концентрации реагента может использоваться для определения степени содержания фекальных веществ в образцах. Неочищенные сточные воды обычно имеют соотношение 5β-копростанола к холестерину около 10, которое снижается в процессе очистки на очистных сооружениях (STP) до примерно 2 в очищенных сточных водах. Высокое соотношение позволяет идентифицировать неочищенные сточные воды STP. При рассеивании фекальных веществ в окружающей среде это соотношение будет уменьшаться по мере увеличения содержания холестерина нефекального происхождения, поступающего от животных. Grimalt & Albaiges (год?) предложили считать образцы с соотношением 5β-копростанола к холестерину, превышающим 0,2, загрязненными фекальным материалом.

Соотношение 5β-копростанола к (5β-копростанолу + 5α-холестанолу)

Еще одним показателем фекального загрязнения человека является соотношение двух 3β-олевых изомеров насыщенного стерола. 5α-холестанол образуется в окружающей среде бактериями и обычно не имеет фекального происхождения. Образцы с соотношением больше 0,7 могут быть загрязнены фекалиями человека; образцы со значениями меньше 0,3 могут считаться незагрязненными. Образцы с соотношением между этими пороговыми значениями не могут быть однозначно классифицированы только на основе этого соотношения. Отложения, попадающие в красную область, классифицируются как "загрязненные" по обоим соотношениям, а отложения в зеленой области – как "незагрязненные" по тем же показателям. Отложения в синей области считаются "незагрязненными" по соотношению 5β-копростанола к холестерину и "неопределенными" по соотношению 5β-копростанола к (5β-копростанолу + 5α-холестанолу). Большинство образцов между пороговыми значениями 0,3 и 0,7 считаются "незагрязненными" по соотношению 5β-копростанола к холестерину, поэтому значение 0,3 следует рассматривать как несколько заниженное.

Соотношение 5β-копростанол к общему количеству стеролов

Пороговые значения и т.д.

5β-копростанол / 24-этилкопростанол

Растительноядные животные, такие как коровы и овцы, потребляют наземную растительную массу (траву), содержащую β-ситостерол как основной стерол. β-ситостерол является 24-этильным производным холестерина и может использоваться в качестве биомаркера для наземной растительной массы (см. раздел). В кишечнике этих животных бактерии биогидрируют двойную связь в положении 5, образуя 24-этилкопростанол, и поэтому это соединение может использоваться в качестве биомаркера фекальной массы травоядных. Типичные значения в различных источниках представлены в таблице, следующей за работой Гилпина (год?). Источник 5β-копростанол / 24-этилкопростанол Септические резервуары 2,9 – 3,7 Коммунальные сточные воды 2,6 – 4,1 Убойные пункты (овцы, крупный рогатый скот) 0,5 – 0,9 Смыв с молочных ферм 0,2.

Эпикопростанол / 5β-копростанол

Во время очистки сточных вод 5β-копростанол может превращаться в форму 5β-холестан-3α-ола, эпикопростанол. Медленное превращение 5β-копростанола в эпикопростанол происходит также и в окружающей среде, поэтому это соотношение может указывать либо на степень очистки сточных вод, либо на время их пребывания в окружающей среде. Сопоставление соотношения 5β-копростанола к холестерину с соотношением эпикопростанола к 5β-копростанолу позволяет оценить как фекальное загрязнение, так и степень очистки.

5α-холестанол / холестерин

В окружающей среде бактерии предпочтительно производят 5α холестан 3β-ол (5α холестанол) из холестерина, а не 5β-изомер. Эта реакция протекает преимущественно в анаэробных восстановительных отложениях, и соотношение 5α холестанола к холестерину может использоваться как вторичный (процессный) биомаркер для таких условий. Для этого маркера не предложено пороговых значений, поэтому он используется в относительной оценке: чем выше соотношение, тем более восстановительной является среда. Восстановительные среды часто связаны с областями с высоким поступлением органического вещества, включая сбросы сточных вод. Взаимосвязь между восстановительными условиями и потенциальным источником может быть проиллюстрирована на графике сопряжения с индикатором сточных вод. Исходя из этой взаимосвязи, можно предположить, что сбросы сточных вод вносят вклад в создание анаэробных восстановительных условий в отложениях.

Использование в археологических исследованиях

Копростанол и его производное эпикопростанол используются в археологических и палеоэкологических исследованиях как индикаторы прошлой деятельности человека благодаря их долговечности в почвах и тесной связи с их образованием в кишечнике человека. Исследователи применяли данные о наличии копростанола для идентификации археологических объектов, таких как выгребные ямы, или видов деятельности, связанных с изменением ландшафта, например, внесение удобрений. Изменения концентрации копростанола во времени позволяют реконструировать численность населения в конкретной осадочной среде.