El 5β-coprostanol ( 5β-cholestan-3β-ol ) es un estanol de 27 carbonos que se forma a partir del metabolismo reductor neto del colesterol (cholest-5en-3β-ol) en el intestino de la mayoría de los animales superiores y las aves. Este compuesto se ha utilizado con frecuencia como biomarcador de la presencia de materia fecal humana en el medio ambiente . Se cree que el 5β-coprostanol es de origen exclusivamente bacteriano .
El 5β-coprostanol tiene una baja solubilidad en agua y, en consecuencia, un alto coeficiente de reparto octanol-agua (log Kow = 8,82) . En otras palabras, el 5β-coprostanol tiene una afinidad casi mil millones de veces mayor por el octanol que por el agua . Esto significa que, en la mayoría de los sistemas ambientales, el 5β-coprostanol estará asociado con la fase sólida .
En los sedimentos y suelos anaeróbicos , el 5β-coprostanol es estable durante cientos de años, lo que permite utilizarlo como indicador de descargas fecales pasadas. Por ello, los registros de 5β-coprostanol de los archivos paleoambientales se han utilizado para limitar aún más la cronología de los asentamientos humanos en una región, así como para reconstruir los cambios relativos en las poblaciones humanas y las actividades agrícolas a lo largo de varios miles de años. [1]
Dado que la molécula tiene un grupo hidroxilo (-OH), con frecuencia se une a otros lípidos , incluidos los ácidos grasos ; por lo tanto, la mayoría de los métodos analíticos utilizan un álcali fuerte (KOH o NaOH) para saponificar los enlaces éster . Los disolventes de extracción típicos incluyen KOH al 6% en metanol . Luego, los esteroles y estanoles libres (esteroles saturados) se separan de los lípidos polares mediante su partición en un disolvente menos polar, como el hexano . Antes del análisis, el grupo hidroxilo se deriva con frecuencia con BSTFA (bis-trimetil sililo trifluoroacetamida) para reemplazar el hidrógeno con el grupo trimetilsililo (TMS), menos intercambiable. El análisis instrumental se realiza con frecuencia en un cromatógrafo de gases (GC) con un detector de ionización de llama (FID) o un espectrómetro de masas (MS). El espectro de masas para el éter de 5β-coprostanol - TMS se puede ver en la figura. Alternativamente, también se pueden emplear técnicas de espectrometría de masas por cromatografía líquida (LC-MS) que emplean ionización química a presión atmosférica (APCI) para detectar coprostanol en modo positivo.
Además del estanol de origen fecal, se pueden identificar otros dos isómeros en el medio ambiente: el 5α-colestanol.
El 5β-coprostanol se forma mediante la conversión de colesterol en coprostanol en el intestino de la mayoría de los animales superiores por las bacterias intestinales . En general, se acepta que el metabolismo del colesterol en coprostanol por las bacterias intestinales se produce de manera indirecta a través de intermediarios cetónicos, en lugar de una reducción directa del doble enlace Δ 5,6 . [2] se puede ver en la figura propuesta por Grimalt et al., (1990).
Sin embargo, se ha demostrado que un pequeño número de animales no producen 5β-coprostanol y estos pueden verse en la tabla.
La principal fuente de 5β-coprostanol en el medio ambiente son los desechos humanos. La concentración de 5β-coprostanol en aguas residuales sin tratar es de alrededor del 2-6% de los sólidos secos. Esta concentración relativamente alta y su estabilidad permiten su uso en la evaluación de la materia fecal en muestras, especialmente sedimentos.
Dado que el 5β-coprostanol se forma a partir del colesterol en el intestino de los vertebrados , la relación del producto sobre el reactivo se puede utilizar para indicar el grado de materia fecal en las muestras. Las aguas residuales sin tratar suelen tener una relación 5β-coprostanol/colesterol de ~10, que disminuye a través de una planta de tratamiento de aguas residuales (STP), de modo que en las aguas residuales líquidas vertidas la relación es ~2. Las aguas residuales de STP sin diluir se pueden identificar por esta alta relación. A medida que la materia fecal se dispersa en el medio ambiente, la relación disminuirá a medida que se encuentre más colesterol (no fecal) de los animales. Grimalt y Albaiges ( ¿año? ) [ cita requerida ] han sugerido que las muestras con una relación 5β-coprostanol/colesterol superior a 0,2 pueden considerarse contaminadas por material fecal.
Otra medida de la contaminación fecal humana es la proporción de los dos isómeros 3β-ol de la forma saturada de esterol. El 5α-colestanol se forma de forma natural en el medio ambiente por acción de las bacterias y, por lo general, no tiene origen fecal. Las muestras con proporciones superiores a 0,7 pueden estar contaminadas con materia fecal humana; las muestras con valores inferiores a 0,3 pueden considerarse no contaminadas. Las muestras con proporciones entre estos dos valores de corte no pueden clasificarse fácilmente basándose únicamente en esta proporción.
Los sedimentos que caen en la región roja se clasifican como “contaminados” según ambas proporciones y los de la región verde se clasifican como “no contaminados” según las mismas medidas. Los de la región azul son “no contaminados” según la proporción 5β-coprostanol/colesterol e “inciertos” según la proporción 5β-coprostanol/(5β-coprostanol + 5α-colestanol). La mayoría de las muestras entre los puntos de corte de 0,3 y 0,7 se consideran “no contaminadas” según la proporción 5β-coprostanol/colesterol, por lo que el valor 0,3 debe considerarse como algo conservador.
Valores de corte, etc.
Los herbívoros, como las vacas y las ovejas, consumen materia vegetal terrestre (pasto) que contiene β-sitosterol como esterol principal. El β-sitosterol es el derivado 24-etílico del colesterol y puede utilizarse como biomarcador de materia vegetal terrestre (véase la sección). En el intestino de estos animales, las bacterias biohidrogenan el doble enlace en la posición 5 para crear 24-etil coprostanol, por lo que este compuesto puede utilizarse como biomarcador de materia fecal de herbívoros. Los valores típicos en diferentes materiales de origen se pueden ver en la tabla de Gilpin ( ¿año? ). [ cita requerida ]
Durante el tratamiento de aguas residuales, el 5β-coprostanol puede convertirse en la forma 5β-cholestan-3α-ol, epi-coprostanol. También hay una conversión lenta de 5β-coprostanol a epi-coprostanol en el medio ambiente, por lo que esta relación indicará el grado de tratamiento de las aguas residuales o su antigüedad en el medio ambiente. Un gráfico cruzado de la relación 5β-coprostanol/colesterol con la relación epi-coprostanol/5β-coprostanol puede indicar tanto la contaminación fecal como el tratamiento.
En el medio ambiente, las bacterias producen preferentemente 5α-cholestan-3β-ol (5α-cholestanol) a partir del colesterol en lugar del isómero 5β. Esta reacción ocurre principalmente en sedimentos reductores anaeróbicos y la relación 5α-cholestanol/colesterol puede utilizarse como un biomarcador secundario (de proceso) para tales condiciones. No se han sugerido valores de corte para este marcador y, por lo tanto, se utiliza en un sentido relativo; cuanto mayor sea la relación, más reductor es el ambiente. Los ambientes reductores se asocian con frecuencia con áreas que experimentan un alto aporte de materia orgánica; esto puede incluir descargas derivadas de aguas residuales. La relación entre las condiciones reductoras y la fuente potencial se puede ver en un gráfico cruzado con un indicador de aguas residuales.
Se puede sugerir a partir de esta relación que las descargas de aguas residuales son en parte responsables de las condiciones reductoras anaeróbicas en los sedimentos.
El coprostanol y su derivado, el epicoprostanol, se utilizan en estudios arqueológicos y paleoambientales como indicadores de la actividad humana pasada debido a su longevidad en los suelos y su fuerte asociación con la producción en el intestino humano. [3] [4] Los investigadores han utilizado la presencia de coprostanol para identificar características arqueológicas como pozos negros o actividades paisajísticas como el abonado . [5] [6] Las variaciones en la concentración de coprostanol a lo largo del tiempo se pueden utilizar para crear reconstrucciones de la población humana dentro de un entorno deposicional específico. [1] [7]