combining water treatment and zinc fortification - ETH E

Diss. ETH No. 22388
COMBINING WATER TREATMENT AND ZINC FORTIFICATION AGAINST
ZINC DEFICIENCY AND DIARRHEA IN LOW-INCOME SETTINGS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
VALERIA GALETTI
Dipl. Lm.-Ing. ETH, ETH Zurich
born April 22, 1980
citizen of Lugano TI, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. med. Michael B. Zimmermann, examiner
Dr. Diego Moretti, co-examiner
Dr. Sara J. Marks, co-examiner
2014
ABSTRACT
ABSTRACT
Background Zinc deficiency and diarrhea are often found together in low-income settings in
developing countries. Low zinc status impairs immune system and increases risk for diarrhea,
while diarrhea depletes the body of micronutrient, including zinc. A major risk factor for
diarrhea is consumption of microbiologically contaminated water, whereas zinc deficiency is
mainly caused by an inadequate intake of bioavailable zinc resulting from monotonous
plant-based diets with no or little animal proteins. Therefore strategies aimed at reducing
risk factors for diarrhea, such as improvement of water quality, or at improving zinc status
through increase of dietary zinc, could potentially be beneficial for both conditions. While
zinc supplementation is recommended for treatment of diarrhea by WHO/UNICEF, food
fortification strategies with zinc have not yet shown clear benefits on diarrhea or zinc status,
possibly due to low zinc absorption from inhibitory food matrices. A strategy of provision of
zinc through safe drinking water is a promising combined approach to lower the burden of
both conditions in at-risk populations. A novel point-of-use water purification system
(LifeStraw®Family, LSF) combines water ultrafiltration with zinc fortification through
innovative zinc-releasing phosphate-based plates housed inside the filter.
Research goal The overall aim of this thesis was to determine if the combined approach of
delivering zinc-fortified filtered water through the LSF is an acceptable and efficacious
strategy for improving zinc status and decreasing diarrhea rates in vulnerable populations.
Experiments We conducted a nutrition survey in rural Beninese children aged 1-10y to
assess the risk of zinc deficiency. We then conducted laboratory trials to assess zinc elution
from the LSF, followed by a stable isotopes study in Swiss adults to determine zinc
absorption rate from LSF-water, and finally tested the LSF-filter’s acceptability and efficacy
among populations from low-income settings in rural Benin.
Nutritional survey (Manuscript 1): In a cross-sectional trial, we estimated the risk of zinc
deficiency in preschool and school aged children from low-income settings in rural Benin by
using three common indicators: prevalence of inadequate intakes of zinc, prevalence of low
plasma zinc concentration, and prevalence of stunting rates among <5y old children. Intake
data were obtained by 3-day weighed food records in 5-10y old children (N=36), coupled
with direct zinc and phytic acid analysis of consumed foods, and we estimated habitual zinc
11
ABSTRACT
intakes using the EAR cut-point method. Plasma was collected from 1-10y old children
(N=598) and plasma zinc analysis was performed in duplicate by using AAS. Height-for-age zscores (HAZ) were obtained from 594 children.
Prevalence of inadequate zinc intake was 0% in 5-8y and 29% in 9-10y, with IZiNCG’s EARs,
and 74% in 7-9y, with WHO’s EARs. Low plasma zinc was observed in 53% of children (46% if
adjusted for presence of inflammation). Stunting prevalence in <5y old children was 51%.
There was a high risk of zinc deficiency among study children and although agreement
comparing rates based on low plasma zinc versus stunting rates was generally good,
inadequate zinc intake rates varied according to reference ranges applied.
Elution trials (Manuscript 2): In a series of laboratory trials, we tested the factors affecting
zinc elution into efflux water from the LSF-filter. Tests were done by passing water at set
levels of hardness, volumes and frequencies through LSF-filters housing either slow or fast
dissolving zinc-releasing plates, collecting samples of efflux water in zinc-free containers and
analyzing zinc concentration by atomic absorption spectrometry (AAS).
Decreasing the plates’ dissolution coefficient (fast and slow dissolving zinc releasing plates)
significantly decreased mean±SD zinc concentrations from 10.7±6.2 to 1.0±0.7 mg/ liters
(20 liters daily filtration of low hardness water). Increasing hardness had a greater effect on
fast dissolving plates than slower ones, with a 4.5- and 1.6-fold significant decrease in zinc
concentration, respectively (20 liters daily filtration). With the slow dissolving plates, there
was a 3.3- and a 5.4-fold significant increase in zinc concentrations with decreasing water
volumes (20 to 5 liters) and decreasing filtration frequency (daily to weekly), respectively.
Absorption trial (Manuscript 2): In a single-blind cross-over trial, we measured zinc
absorption rates from LSF zinc-fortified water consumed either alone or with an inhibitory
maize porridge and compared it with a zinc-fortified inhibitory maize porridge, in 18 Swiss
adults acting as their own controls during the study. All meals delivered 2 mg zinc per serving
and fractional absorption was measured by using the double stable isotope tracer ratio
method with analysis of enriched urine by ICP-MS.
Fractional absorption from LSF zinc-fortified water consumed alone was 66%, resulting in
total zinc absorption of 1.3 mg. A 7-fold absorption rate decrease was measured from LSF
zinc-fortified water consumed with the inhibitory meal and from the zinc-fortified inhibitory
12
ABSTRACT
maize porridge. Therefore, when LSF zinc-enriched water is consumed alone, it delivers
highly bioavailable zinc.
Acceptability trial (Manuscript 2): In a controlled trial in low-income Beninese households
(N=206) with no access to improved water, we compared cultural acceptability, compliance
to usage recommendations, and water treatment efficacy of the LSF-filter without zinc plates
and water disinfection tablets. Two hundred and six households were randomized to receive
a LSF-filter or a supply of disinfection tablets and were instructed to treat a daily quantity of
20 liters, implement regular cleaning practices of LSF-filter and water tanks, and to
exclusively drink purified water. We collected acceptability, compliance and water
consumption data by questionnaire and observation during weekly visits over 1 year.
Treatment efficacy was assessed once with analysis of turbidity and total coliforms and E.
coli concentration in pre- and post-treatment water in a household subsample.
User acceptability was generally high. Filter-households would have preferred faster
filtration speed or increased top bucket size, while tablet-households would have preferred
longer duration of treatment efficacy than only 24h. Tablet-households were generally
highly compliant with instructions (with 94% treating the recommended volume, 71% on a
daily basis), whereas filter-households were only moderately compliant (20% and 51%,
respectively, although 65% were filtering at least 10 liters). Consumption of non-improved
water was reported in 50% of filter-households and 40% of tablet-households. LSF-filter
significantly reduced turbidity, coliforms and E. coli count.
Efficacy trial (Manuscript 3): In a school-based, 4-month, double-blind RCT, we assessed the
efficacy of zinc-fortified filtered water obtained with the LSF-filter to improve zinc status and
decrease diarrhea rates among 5-10y old children (N=277) from low-income settings in rural
Benin. The primary outcome was plasma zinc concentrations. Children were randomized to
receive a daily portion of zinc-fortified filtered water (Zn+filter, delivering an average of
2.8±2.8 mg zinc), non-fortified filtered water (Filter), or non-fortified non-filtered water from
the local improved source (Pump). We assessed plasma zinc at baseline, endpoint, and at 10
sparse random serial samplings, and analyzed effect of time and treatment on plasma zinc
by a non-linear mixed effects model analysis. Diarrhea occurrence was monitored over a
period of 9 weeks by means of interviews.
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ABSTRACT
There was a significant time by treatment interaction effect on plasma zinc (p=0.014) and an
overall decrease in plasma zinc (main effect of time: p<0.001). Plasma zinc in the Zn+filter
group over the study period was significantly higher than in the Filter (p=0.006) or Pump
(p=0.025) groups, but did not differ between the latter two groups (p=0.645). The
prevalence of zinc deficiency in the Zn+filter group over the study period was significantly
lower than in the Filter group (p=0.046) but there was no difference in prevalence between
the Zn+filter and the Pump groups (p=0.770). There was no significant time by treatment
effect on diarrhea morbidity.
Conclusions Our results demonstrate it is possible to modulate zinc elution from the
phosphate-based plates in achieve nutritionally-relevant zinc concentrations in efflux water
through variation of the plates’ dissolution coefficient. Slow dissolving plates showed better
field applicability due to their lower zinc elution variability induced by varying water
hardness. However, irregular LSF-filter usage patterns caused high variability in zinc elution.
The LSF-filter delivered highly bioavailable zinc when water was consumed alone.
Acceptability of the LSF-filter among users was generally high, likely because of the visual
improvement of water quality. Compliance to recommendations of usage was only
moderate, mainly due to the long time needed for the filtration procedure. In a population
of school aged children at risk of zinc deficiency, the LSF-filter was effective in improving
plasma zinc and reducing zinc deficiency compared to controls, but there was no effect on
diarrhea prevalence.
The combination of high zinc absorption from the fortified water together with the
significant effect of the LSF-filter on plasma zinc are encouraging results and should prompt
more research into water-based intervention strategies of zinc fortification. But zinc elution
from the LSF-filter was vulnerable to usage patterns and this issue, together with a change in
design to promote less time-consuming operation procedures, needs to be addressed in
future studies. Further research is also required to establish whether the combined strategy
of delivering zinc-fortified filtered water has synergistic benefits on plasma zinc and healthrelated outcomes, compared to implementation of sanitary or zinc food fortification alone.
14
RÉSUMÉ
RÉSUMÉ
Contexte La carence en zinc et la diarrhée sont souvent concomitantes dans les milieux à
faible revenu dans les pays en voie de développement. Un statut en zinc bas altère le
système immunitaire et augmente le risque de diarrhée, tandis que la diarrhée épuise le
corps de ses micronutriments, y compris le zinc. Un facteur de risque majeur pour la
diarrhée est la consommation d'eau contaminée par des microorganismes, alors que la
carence en zinc est principalement causée par un apport insuffisant en zinc biodisponible
résultant de régimes alimentaires monotones à base végétale avec peu ou pas de protéines
animales. Par conséquent, les stratégies visant à réduire les facteurs de risque pour la
diarrhée, comme l'amélioration de la qualité de l'eau, ou à améliorer le statut en zinc par
l'augmentation du zinc alimentaire, pourraient être bénéfiques pour les deux situations. Bien
que la supplémentation en zinc soit recommandée pour le traitement de la diarrhée par
l'OMS/UNICEF, les stratégies de fortification des aliments avec du zinc n’ont pas encore
montré de bénéfices évidents sur la diarrhée ou le statut en zinc, probablement en raison
d’une faible absorption du zinc de matrices alimentaires inhibitrices. Une stratégie d’apport
en zinc par l'eau potable est une approche combinée prometteuse pour réduire le fardeau
des deux situations dans les populations à risque. Un nouveau système de purification d'eau
au point d'utilisation (LifeStraw®Family, LSF) combine l’ultrafiltration de l'eau avec la
fortification en zinc par des plaques innovantes à base de phosphate logées à l'intérieur du
filtre, qui relâchent le zinc dans l’eau filtrée.
Objectifs L'objectif général de cette thèse était de déterminer si l'approche combinée de
fournir de l’eau filtrée et fortifiée avec du zinc par le filtre LSF est une stratégie acceptable et
efficace pour améliorer le statut en zinc et diminuer les taux de diarrhée chez les
populations vulnérables.
Expériences Nous avons mené une enquête nutritionnelle chez des enfants âgés de 1 à 10
ans issues de milieux à faible revenu dans des zones rurales au Bénin pour évaluer le risque
de carence en zinc. Nous avons ensuite effectué des essais en laboratoire pour évaluer
l’élution de zinc par le filtre LSF, suivis d'une étude avec des isotopes stables chez des
adultes suisses pour déterminer le taux d'absorption du zinc à partir d’eau fortifiée par le
filtre LSF, et enfin nous avons testé l'acceptabilité et l'efficacité du filtre LSF parmi des
populations béninoises de milieux ruraux et à faible revenu.
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RÉSUMÉ
Enquête nutritionnelle (Manuscrit 1): Par une étude en coupe transversale, nous avons
estimé le risque de carence en zinc chez les enfants en âge préscolaire issus de milieux à
faible revenu dans des zones rurales au Bénin en utilisant trois indicateurs: la prévalence
d'un apport alimentaire insuffisant en zinc, la prévalence d’une faible concentration de zinc
plasmatique, et la prévalence du retard de croissance chez les enfants de moins de 5 ans. Les
données du régime alimentaire ont été obtenues par l’enregistrement des pesées des
aliments consommés pendant 3 jours chez les enfants âgés de 5 à 10 ans (N=36) et ont été
couplées avec l’analyse directe du zinc et de l'acide phytique des aliments consommés. Nous
avons estimé les apports habituels en zinc en utilisant la méthode de l’EAR cut-point. Des
échantillons de plasma ont été recueillis auprès des enfants âgés de 1 à 10 ans (N=598) et
l'analyse de zinc plasmatique a été réalisée en double à l'aide d’un spectrophotomètre
d'absorption atomique (AAS). Les indices z-scores de taille-pour-âge (HAZ) ont été obtenus
de 594 enfants.
La prévalence d’un apport insuffisant en zinc était de 0% chez les enfants de 5-8 ans et de
29% chez les enfants âgés entre 9-10 ans, en utilisant la valeur du besoin moyen estimatif
(EAR) de IZiNCG, et de 74% chez les enfants âgés entre 7-9 ans, en utilisant le EAR de l'OMS.
Une faible concentration de zinc dans le plasma a été observée chez 53% des enfants (46%
après correction pour la présence d'inflammation). Un retard de croissance a été constaté
parmi 51% des enfants. Le risque de carence en zinc trouvé chez les enfants béninois est
donc élevé. Bien que les prévalences de carence en zinc calculées à partir du zinc
plasmatique et du retard de croissance soient cohérentes, celle calculée à partir des apports
alimentaire varie selon les valeurs d’EAR utilisées.
Études d’élution (Manuscrit 2): Par une série d'expériences de laboratoire, nous avons testé
les facteurs qui influent sur l'élution du zinc dans l'eau produite par le filtre LSF. Nous avons
effectué des expériences en filtrant de l’eau avec une dureté définie et en variant la
fréquence de filtrage et le volume d'eau. En fonction de l'expérience, les filtres ont été
configurés avec des plaques à élution de zinc caractérisées par une dissolution lente ou
rapide. Nous avons recueilli des échantillons d'eau filtrée dans des tubes exempts de zinc et
nous avons mesuré la concentration de zinc à l'aide de l'AAS.
En diminuant le coefficient d’élution (avec des plaques de zinc dissolution rapide ou lente),
la concentration en zinc moyenne±ET est diminuée de manière significative de 10.7±6.2 à
16
RÉSUMÉ
1.0±0.7 mg/litre (filtration avec 20 litres d’eau de faible dureté). L'augmentation de la dureté
de l'eau a eu un effet plus important sur les plaques à dissolution rapide par rapport à celles
à dissolution lente, avec une diminution significative de la concentration de zinc dans l'eau
effluente de 4.5 et 1.6 fois, respectivement (filtration avec 20 litres par jour). L'expérience
avec des plaques à dissolution lente a révélé une augmentation significative de 3.3 fois de la
concentration de zinc associée à une diminution de la quantité d'eau (de 20 à 5 litres) et une
augmentation significative de 5.4 fois associée à une diminution de la fréquence de filtration
(de quotidienne à hebdomadaire).
Étude d’absorption (Manuscrit 2): Par une étude croisée et en simple aveugle, chez 18 sujets
adultes Suisses agissant comme leurs propres contrôles, nous avons mesuré les taux
d'absorption du zinc d'eau fortifiée avec du zinc par le filtre LSF et consommée seule ou avec
un repas inhibiteur à base de pâte de maïs, et du même repas inhibiteur mais fortifié avec du
zinc et consommé avec de l’eau pure. Tous les repas contenaient 2 mg de zinc par portion et
le taux d'absorption a été mesuré en calculant le rapport entre deux traceurs isotopiques
stables du zinc mesurés dans l'urine à l'aide de la spectrométrie de masse par plasma à
couplage inductif (ICP-MS).
Le taux d'absorption pour l'eau fortifiée avec du zinc et consommée seule était de 66%,
résultant en une absorption totale de zinc de 1.3 mg. Un taux d'absorption sept fois inférieur
a été mesuré pour l'eau fortifiée avec du zinc et consommée avec le repas inhibiteur et pour
le repas inhibiteur fortifié avec du zinc. Par conséquent, l'eau fortifiée avec du zinc
consommée seule fournit du zinc hautement biodisponible.
Étude d'acceptabilité (Manuscrit 2): Par une étude contrôlée menée dans des ménages issus
de milieux à faible revenu dans des zones rurales au Bénin et sans accès à une source d'eau
potable, nous avons comparé l'acceptabilité culturelle, le niveau de conformité aux
recommandations d'utilisation et l'efficacité de deux systèmes de purification d'eau: un filtre
LSF mais sans plaques à élution de zinc, et des comprimés pour la désinfection de l'eau au
point d’utilisation déjà en usage sur le territoire. En procédant avec une méthode
d'assignation aléatoire, 206 ménages ont reçu soit un filtre LSF, soit une provision de
comprimés de désinfection. Les participants ont été instruits à purifier une quantité
journalière d’eau de 20 litres, à appliquer des pratiques de nettoyage périodique du filtre LSF
et des récipients de collecte d'eau fournis, et à ne boire que de l'eau purifiée. Nous avons
17
RÉSUMÉ
recueilli les données sur l'acceptabilité, la conformité d’utilisation et la consommation d'eau
à l’aide d’un questionnaire et de vérification par observation lors de visites hebdomadaires
effectuées pendant une année. L'efficacité de la purification des deux traitements a été
évaluée avec l'analyse de la turbidité et de la concentration de coliformes totaux et de E. coli
dans des échantillons d'eau pré- et post-traitement dans un sous-échantillon de ménages.
L'acceptabilité des deux systèmes de purification chez les utilisateurs était généralement
élevée. Les familles avec le filtre LSF auraient préféré une filtration plus rapide ou un plus
grand seau pour l’eau à filtrer. Les familles avec les comprimés désinfectants auraient par
contre préféré une durée d'efficacité du traitement supérieure à 24 heures. Les familles avec
les comprimés étaient très conformes aux instructions d’utilisation reçues (avec 94% des
ménages purifiant le volume recommandé et 71% sur une base quotidienne). Les familles
avec le filtre LSF, par contre, n’étaient que modérément conformes aux mêmes
recommandations (avec 20% et 51%, respectivement, bien que 65% des ménages filtraient
cependant au moins 10 litres). La consommation d'eau non potable a été signalée chez 50%
des ménages avec le filtre LSF et chez 40% des familles avec les comprimés. Le traitement de
l’eau par le filtre LSF a montré une réduction significative de la turbidité et des
concentrations de coliformes et de E. coli.
Étude d'efficacité (de Manuscrit 3): Dans une étude en double-aveugle, randomisée,
contrôlée et réalisée dans une école primaire sur une période de quatre mois, nous avons
évalué l'efficacité de l'eau filtrée et fortifiée avec du zinc par le filtre LSF à améliorer le statut
en zinc et à diminuer le taux de diarrhée chez 277 enfants âgés de 5 à 10 ans issues de
milieux à faible revenu dans des zones rurales au Bénin. L'indicateur principal était la
concentration en zinc dans le plasma. Les enfants ont été répartis aléatoirement pour
recevoir une portion quotidienne d'eau filtrée et fortifiée avec du zinc (groupe Zn+filtre, avec
un apport moyen en zinc de 2.8±2.8 mg), de l'eau filtrée mais non fortifiée (groupe Filtre), ou
bien de l'eau non filtrée et non fortifiée provenant de la source d'eau potable locale (groupe
Pompe). Nous avons mesuré la concentration en zinc dans le plasma au début de
l'intervention, à la fin et lors d’échantillonnages sérials hebdomadaires assignés
aléatoirement aux enfants pendant 10 semaines. L'effet du temps et de traitement sur la
concentration en zinc dans le plasma a été évalué par une analyse statistique utilisant des
18
RÉSUMÉ
modèles non-linéaires à effets mixtes. L’occurrence d’événements de diarrhée a été suivie
sur une période de neuf semaines à l’aide d'un questionnaire.
L'effet de l'interaction du temps avec le traitement sur la concentration de zinc dans le
plasma était significative (p=0.014), avec une diminution globale du zinc plasmatique (effet
du temps: p<0.001). Pendant toute la durée de l'intervention, la concentration en zinc dans
le plasma du groupe Zn+filtre a été significativement supérieure à celle des groupes Filtre
(p=0.006) et Pompe (p=0.025), sans aucune différence entre les deux derniers groupes
(p=0.645). La prévalence de la carence en zinc dans le groupe Zn+filtre pendant la période
d'étude était significativement inférieure à celle dans le groupe Filtre (p=0.046), mais il n'y
avait pas de différence de prévalence entre les groupes Zn+filtre et Pompe (p=0.770). Aucun
effet de l'interaction du temps avec le traitement n'a été détecté sur la morbidité de la
diarrhée.
Conclusions Nos résultats ont démontré qu'il est possible de moduler l'élution du zinc à
partir de plaques à base phosphate pour obtenir des concentrations en zinc pertinentes du
point de vue nutritionnel dans l’eau produite par le filtre LSF en variant le coefficient de
dissolution des plaques. Les plaques à élution lente ont montré une meilleure applicabilité
sur le terrain en raison d’une plus faible variabilité de dissolution induite par les différents
niveaux de dureté d'eau. L'utilisation irrégulière du filtre LSF causait toutefois une variabilité
significative de l'élution du zinc. Le zinc dans l'eau produite par le filtre LSF est hautement
biodisponible lorsque l'eau est consommée en dehors des repas. L'acceptabilité du filtre LSF
parmi les utilisateurs était généralement élevée, probablement à cause d’une constatation
vérifiable à l’œil nu de l’amélioration de la qualité de l'eau. Le niveau de conformité aux
recommandations d'utilisation n’était, par contre, que modéré, probablement en raison des
procédures de filtration nécessitant temps et efforts. Dans une population d'enfants en âge
scolaire caractérisés par un risque élevé de carence en zinc, le filtre LSF a montré son
efficacité à améliorer le niveau physiologique de zinc et à réduire la prévalence de carence
en zinc par rapport aux groupes témoins, bien qu’aucun effet bénéfique sur la prévalence de
la diarrhée n’ait été mesuré.
La combinaison d'une forte absorption du zinc de l'eau fortifiée avec l'effet significatif du
filtre LSF sur le niveau physiologique de zinc est un résultat encourageant pour susciter
l'intérêt sur la recherche de stratégies d'intervention fondées sur la fortification de l'eau
19
RÉSUMÉ
avec du zinc. L'élution de zinc par le filtre LSF a montré sa vulnérabilité à une utilisation
irrégulière du filtre. Ce problème, ainsi qu’un changement de conception pour faciliter une
utilisation plus rapide du filtre, devraient être traitées dans des expériences futures. Des
recherches complémentaires sont nécessaires pour déterminer si la combinaison d’une
stratégie d’apport en eau filtrée et fortifiée avec du zinc a un avantage synergique sur le
niveau physiologique du zinc et d'autres aspects de la santé (diarrhée, croissance) par
rapport à mesures d'assainissement ou à des mesures de fortification des aliments avec du
zinc appliquées individuellement.
20
RIASSUNTO
RIASSUNTO
Premessa La carenza di zinco e le malattie diarroiche spesso si verificano congiuntamente in
strati sociali a basso reddito nei paesi in via di sviluppo. Un basso livello fisiologico di zinco
porta a disfunzioni del sistema immunitario e aumenta il rischio di diarrhea, mentre la
diarrea causa una diminuzione dell’assorbimento di micronutrienti, incluso lo zinco. Un
importante fattore di rischio per la diarrea è il consumo di acqua contaminata
microbiologicamente, mentre la carenza di zinco è principalmente causata da un apporto
insufficiente di zinco biodisponibile dovuto a regimi alimentari monotoni a base vegetale
senza o con poco contributo di proteine animali. Pertanto strategie volte a ridurre i fattori di
rischio di diarrea, come il miglioramento della qualità microbiologica dell’acqua, o a
migliorare i livelli fisiologici di zinco attraverso un aumento dell’apporto di zinco, potrebbero
risultare potenzialmente vantaggiose per entrambe le condizioni. Nonostante la
supplementazione con zinco sia raccomandata dall'OMS come trattamento per la diarrea,
strategie di fortificazione degli alimenti con zinco non hanno ancora mostrato evidenza degli
effetti benefici sulla diarrea o sul livello fisiologico di zinco. La causa probabile è il ridotto
assorbimento dello zinco da matrici alimentari con effetto inibitore. La strategia di fornitura
di zinco attraverso l'acqua potabile rappresenta un approccio innovativo a doppia azione per
ridurre la severità di entrambe le condizioni nelle popolazioni a rischio. Un nuovo sistema di
depurazione dell’acqua applicato al punto di utilizzo (LifeStraw®Family, LSF) combina
l’ultrafiltrazione dell’acqua con la fortificazione con zinco per mezzo di innovative placche a
base di fosfati alloggiate all’interno del filtro LSF che eluiscono zinco a contatto con l’acqua.
Obiettivo di ricerca L'obiettivo generale di questo lavoro di dottorato era di determinare se
la fornitura d’acqua filtrata e fortificata con zinco prodotta dal filtro LSF può rivelarsi una
strategia accettabile ed efficace nel migliorare i livelli fisiologici di zinco e diminuire
l’incidenza della diarrea in popolazioni vulnerabili.
Esperimenti
Dapprima abbiamo condotto un’indagine nutrizionale in una popolazione
rurale beninese di bambini d’età compresa tra gli 1 e i 10 anni, per stabilirne il rischio di
carenza di zinco. In seguito abbiamo condotto degli esperimenti di laboratorio per valutare
l’eluizione dello zinco dal filtro LSF, seguito da uno studio con isotopi stabili in soggetti adulti
svizzeri per determinare il tasso di assorbimento di zinco. Infine abbiamo testato
21
RIASSUNTO
l'accettabilità culturale e l’efficacia del filtro LSF in una popolazione a basso reddito in una
zona rurale del Benin.
Indagine nutrizionale (Manoscritto 1): In uno studio osservazionale trasversale, abbiamo
stimato il rischio di carenza di zinco in bambini in età prescolare e scolare appartenenti a
strati sociali a basso reddito nelle zone rurali del Benin, per mezzo di tre indicatori
comunemente utilizzati: prevalenza di un apporto in zinco insufficiente, prevalenza di una
bassa concentrazione di zinco nel plasma, e la prevalenza di arresto della crescita tra i
bambini al di sotto dei 5 anni di età. I dati concernenti gli apporti alimentari sono stati
acquisiti tramite il metodo della pesata degli alimenti consumati durante 3 giorni in 36
bambini di età compresa tra i 5 e i 10 anni, abbinati all’analisi diretta del contenuto in zinco e
acido fitico degli alimenti consumati. Abbiamo stimato gli apporti abituali in zinco con il
metodo dell’EAR cut-point. Abbiamo prelevato il plasma da 598 bambini di età compresa tra
gli 1 e i 10 anni. Il contenuto di zinco nel plasma è stato misurato in duplicato con un’analisi
allo spettrofotometro ad assorbimento atomico (AAS). Gli indici z-score dell’altezza per età
(HAZ) sono stati ottenuti per 594 bambini.
La prevalenza di un inadeguato apporto in zinco è stata dello 0% in bambini di 5-8 anni e del
29% in bambini di 9-10 anni, usando il valore di fabbisogno medio stimato (EAR) proposto da
IZiNCG, e del 74% in bambini di 7-9 anni, col valore EAR dell'OMS. Una concentrazione bassa
di zinco nel plasma è stata osservata nel 53% dei bambini (46% se corretto per la presenza
d’infiammazione). Nel 51% dei bambini sotto i 5 anni è stato riscontrato un arresto della
crescita. Il rischio di carenza di zinco riscontrato nei bambini beninesi è dunque alto.
Nonostante le prevalenze di carenza di calcolate in base ai livelli di zinco nel plasma e quelle
in base all’arresto della crescita mostrano risultati consistenti, la prevalenza di un apporto in
zinco insufficiente variava in base ai valori EAR utilizzati nel calcolo.
Studi di eluizione (Manoscritto 2): In una serie di esperimenti di laboratorio, abbiamo testato
quei fattori che influenzano l’eluizione dello zinco nell’acqua prodotta dal filtro LSF. Abbiamo
condotto gli esperimenti filtrando, secondo delle frequenze di filtrazione e volumi d'acqua
differenti, acque con determinati livelli di durezza. A seconda dell’esperimento, i filtri LSF
erano configurati con placche di zinco a eluizione lenta o veloce. Abbiamo raccolto i
campioni di acqua in efflusso in provette esenti da zinco e ne abbiamo misurata la
concentrazione in zinco usando l’AAS.
22
RIASSUNTO
Diminuendo il coefficiente di eluizione (placche a eluizione di zinco con dissoluzione rapida o
lenta) la concentrazione media±DS di zinco è diminuita significativamente da 10.7±6.2 a
1.0±0.7 mg/litro (filtrazione con 20 litri al giorno di acqua a bassa durezza). L'aumento della
durezza dell’acqua ha avuto un effetto maggiore sulle placche a eluizione veloce rispeto a
quelle a eluizione lenta, con una diminuzione significativa, rispettivamente, di 4.5 e 1.6 volte
della concentrazione di zinco nell’acqua effluente (filtrazione con 20 litri al giorno).
L’esperimento con placche a lenta eluizione ha rivelato un aumento significativo di 3.3 volte
della concentrazione di zinco associato ad una diminuzione della quantità di acqua (da 20 a 5
litri) e un aumento significativo di 5.4 volte associato alla diminuzione della frequenza di
filtrazione (da giornaliera a settimanale).
Studio di assorbimento (Manoscritto 2): In uno studio in crossover e singolo cieco condotto
in 18 soggetti adulti svizzeri facenti da controllo per sé stessi, abbiamo misurato i tassi
d’assorbimento di zinco da acqua fortificata con zinco tramite il filtro LSF e consumata da
sola o con una polenta di mais a carattere inibitorio, e da una polenta di mais a carattere
inibitorio ma fortificata con zinco e cpnsumata con dell’acqua pura. Tutti i pasti contenevano
2 mg di zinco per porzione e il tasso d'assorbimento è stato misurato calcolando il rapporto
tra due isotopi stabili traccianti dello zinco misurati nelle urine per mezzo della spettrometria
di massa a plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS).
Il tasso d’assorbimento da acqua fortificata con zinco consumata da sola è stato del 66%, con
un conseguente assorbimento totale di zinco di 1.3 mg. Un tasso di assorbimento 7 volte
inferiore è stato misurato da acqua fortificata con zinco consumata con il pasto inibitore e
dalla polenta fortificata con zinco a carattere inibitorio. Pertanto, quando l'acqua fortificata
con zinco è consumata da sola fornisce zinco altamente biodisponibile.
Studio di accettabilità (Manoscritto 2): In un esperimento controllato condotto in economie
domestiche a basso reddito nelle zone rurali del Benin senza accesso ad una sorgente
d'acqua potabile, abbiamo confrontato l'accettabilità culturale, il livello di conformità alle
raccomandazioni d'uso, e l'efficacia di due sistemi di purificazione delle acque: il filtro LSF
senza placche a rilascio di zinco e delle compresse per la disinfezione dell’acqua già in uso
nel territorio. Procedendo con un metodo di assegnamento casuale, 206 economie
domestiche hanno ricevuto o un filtro LSF o una fornitura di compresse di disinfezione. I
partecipanti sono stati istruiti a purificare una quantità giornaliera di 20 litri d’acqua,
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RIASSUNTO
applicare pratiche di pulizia periodica del filtro LSF e dei contenitori di raccolta d'acqua
forniti, e di bere esclusivamente acqua purificata. Abbiamo raccolto i dati riguardanti
l’accettabilità, la conformità d’utilizzo e il consumo di acqua per mezzo di questionari e
verifiche d'osservazione durante visite settimanali effettuate durante un anno. L'efficacia di
purificazione dei due trattamenti è stata valutata tramite l’analisi della torbidità e delle
concentrazioni di coliformi totali e E. coli in campioni d’acqua pre- e post-trattamento in un
sottocampione di economie domestiche.
L’accettabilità dei due sistemi di purificazione tra gli utenti era generalmente alta. Le famiglie
con il filtro LSF avrebbero preferito una maggiore velocità di filtrazione o un secchio
superiore per l’acqua da filtrare più grande. Le famiglie con le compresse disinfettanti
avrebbero invece preferito durata dell’efficacia del trattamento maggiore a 24 ore. Le
famiglie con le compresse erano altamente conformi alle istruzioni d’utilizzo ricevute (con il
94% delle famiglie che purificava il volume consigliato e il 71% su base giornaliera). Le
famiglie con il filtro LSF, per contro, erano soltanto moderatamente conformi alle stesse
raccomandazioni (con rispettivamente il 20% e 51%, anche se il 65% filtrava comunque
almeno 10 litri). Il consumo di acqua non potabile è stato riportato nel 50% delle famiglie
con il filtro LSF e nel 40% delle famiglie con le compresse. Il trattamento tramite filtro LSF ha
dimostrato una riduzione significativa della torbidità, e delle concentrazioni di coliformi e di
E. coli.
Studio di efficacia (Manoscritto 3): In un esperimento in doppio cieco, controllato,
randomizzato ed effettuato in una scuola elementare su una durata di 4 mesi, abbiamo
valutato l'efficacia dell’acqua filtrata e fortificata con zinco prodotta dal filtro LSF nel
migliorare lo stato di zinco e nel diminuire i tassi di diarrea tra 277 bambini di età compresa
tra i 5 e i 10 anni appartenenti a strati sociali a basso reddito nelle zone rurali del Benin.
L’indicatore principale era la concentrazione di zinco nel plasma. I bambini sono stati
assegnati in modo casuale a ricevere una porzione giornaliera di acqua filtrata e fortificata
con zinco (gruppo Zn+filtro, apporto di zinco medio di 2.8±2.8 mg), d’acqua filtrata ma non
fortificata (gruppo Filtro), o d’acqua non filtrata e non fortificata proveniente dalla fonte
potabile locale (gruppo Pompa). Abbiamo misurato la concentrazione di zinco nel plasma
all’inizio dell’intervenzione, alla fine e durante campionamenti seriali spaziati su 10 giornate
e assegnati casualmente. L'effetto del tempo e del trattamento sulla concentrazione di zinco
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RIASSUNTO
nel plasma è stato valutato tramite un’analisi statistica con modelli non lineari a effetti misti.
L’occorrenza d’eventi di diarrea è stata monitorata durante un periodo di nove settimane
con l’aiuto di un questionario.
L’effetto dell’interazione del tempo con il trattamento sulla concentratione di zinco nel
plasma è risultato significativo (p=0.014), con una diminuzione complessiva dello zinco nel
plasma (effetto del tempo: p<0.001). Durante tutta la durata dell’intervenzione, la
concentrazione di zinco nel plasma del gruppo Zn+filtro è stata significativamente più alta
rispetto a quello dei gruppi Filtro (p=0.006) e Pompa (p=0.025), senza alcuna differenza tra
questi ultimi due gruppi (p=0.645). La prevalenza di carenza di zinco nel gruppo Zn+filtro
durante il periodo di studio è stato significativamente inferiore rispetto al gruppo Filtro
(p=0.046), ma non vi era alcuna differenza nella prevalenza tra i gruppi Zn+filtro e Pompa
(p=0.770). Nessun effetto dell’interazione del tempo con il trattamento è stato riscontrato
sulla morbidità della diarrea.
Conclusioni I nostri risultati dimostrato che è possibile modulare l’eluizione di zinco dalle
placche a base di fosfati per raggiungere concentrazioni di zinco nutrizionalmente rilevanti
nell’acqua prodotta dal filtro LSF variando il coefficiente d’eluizione delle placche a rilascio di
zinco. Le placche a lenta dissoluzione hanno mostrato d’avere una maggiore applicabilità sul
terreno grazie alla minore variabilità in eluizione indotta dai differenti livelli di durezza
dell'acqua. Un uso irregolare del filtro LSF ha però mostrato di causare una rilevante
variabilità in eluizione di zinco. Lo zinco contenuto nell’acqua prodotta dal filtro LSF è
altamente biodisponibile quando l'acqua è consumata al di fuori dei pasti. L'accettabilità del
filtro LSF tra gli utenti è risultata generalmente alta, probabilmente derivante dalla
constatazione verificabile a occhio nudo del miglioramento della qualità dell’acqua. Il livello
di conformità alle raccomandazioni di utilizzo è stato per contro solo moderato, forse a
causa delle procedure di filtrazione richiedenti tempo ed impegno. In una popolazione di
bambini in età scolare caratterizzati da un rischio elevato di carenza di zinco, il filtro LSF ha
dimostrato d’essere efficace nel migliorare il livello fisiologico di zinco e diminuire la
prevalenza di carenza di zinco rispetto ai gruppi di controllo, anche se non è stato misurato
nessun effetto benefico sulla prevalenza della diarrea.
La combinazione di un elevato assorbimento di zinco dall’acqua fortificata con l’effetto
significativo del filtro LSF sul livello fisiologico di zinco è un risultato incoraggiante per
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RIASSUNTO
suscitare interesse della ricerca di strategie d’intervenzione basate sulla fortificazione
dell’acqua con zinco. L’eluizione di zinco dal filtro LSF ha mostrato vulnerabilità all’utilizzo
irregolare del filtro. Questa problematica, ed un cambiamento del design per agevolare un
uso del filtro più rapido, dovrebbe essere affrontata in esperimenti futuri. Ulteriore ricerca è
necessaria per stabilire se la combinazione della strategia di fornitura d’acqua filtrata e
fortificata con zinco abbia un beneficio sinergistico sul livello fisiologico di zinco e su altri
aspetti della salute (diarrea, crescita) rispetto a misure sanitarie o misure di fortificazione
degli alimenti con zinco applicate singolarmente.
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