Индикаторные бактерии — это типы бактерий, которые используются для обнаружения и оценки уровня фекального загрязнения воды. Они не опасны для здоровья человека, но используются для указания на наличие риска для здоровья.
Каждый грамм человеческих фекалий содержит приблизительно ~100 миллиардов (1 × 10 11 ) бактерий. [1] Эти бактерии могут включать виды патогенных бактерий, таких как сальмонелла или кампилобактер , связанных с гастроэнтеритом . Кроме того, фекалии могут содержать патогенные вирусы , простейшие и паразитов . Фекальный материал может попадать в окружающую среду из многих источников, включая очистные сооружения , навоз домашнего скота или птицы, санитарные свалки, септические системы , канализационный ил , домашних животных и диких животных. При попадании в организм достаточного количества фекальные патогены могут вызывать заболевания. Разнообразие и часто низкие концентрации патогенов в экологических водах затрудняют их индивидуальное тестирование. Поэтому государственные учреждения используют присутствие других более многочисленных и более легко обнаруживаемых фекальных бактерий в качестве индикаторов наличия фекального загрязнения. Помимо бактерий, обнаруживаемых в фекалиях, их также можно обнаружить в содержимом полости рта и кишечника. [2]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) перечисляет следующие критерии для организма, который является идеальным индикатором фекального загрязнения: [ необходима ссылка ]
Ни один из типов организмов-индикаторов, используемых в настоящее время, не соответствует всем этим критериям в полной мере, однако, если учесть стоимость, использование индикаторов становится необходимым.
Обычно используемые индикаторные бактерии включают общие колиформные бактерии или подгруппу этой группы, фекальные колиформные бактерии , которые обнаруживаются в кишечном тракте теплокровных животных. Общие колиформные бактерии использовались в качестве фекальных индикаторов государственными учреждениями США еще в 1920-х годах. Эти организмы можно идентифицировать на основе того факта, что все они метаболизируют сахар лактозу, производя как кислоту, так и газ в качестве побочных продуктов. Фекальные колиформные бактерии более полезны в качестве индикаторов в рекреационных водах, чем общие колиформные бактерии, которые включают виды, которые естественным образом встречаются в растениях и почве; однако существуют даже некоторые виды фекальных колиформных бактерий, которые не имеют фекального происхождения, такие как Klebsiella pneumoniae . Возможно, самым большим недостатком использования колиформных бактерий в качестве индикаторов является то, что они могут расти в воде при определенных условиях.
В качестве индикаторов также используются кишечная палочка ( E. coli ) и энтерококки .
Индикаторные бактерии можно культивировать на средах , специально разработанных для обеспечения роста интересующих видов и подавления роста других организмов. Обычно пробы воды из окружающей среды фильтруются через мембраны с малыми размерами пор, а затем мембрана помещается на селективный агар. Часто необходимо изменять объем фильтруемой пробы воды, чтобы предотвратить образование слишком малого или слишком большого количества колоний на пластине. Колонии бактерий можно подсчитать через 24–48 часов в зависимости от типа бактерий. Количество указывается в виде колониеобразующих единиц на 100 мл (КОЕ/100 мл).
Одним из методов обнаружения индикаторных организмов является использование хромогенных соединений, которые добавляются к обычным или недавно разработанным средам, используемым для изоляции индикаторных бактерий. Эти хромогенные соединения модифицируются для изменения цвета или флуоресценции путем добавления либо ферментов, либо специфических бактериальных метаболитов. Это позволяет легко обнаруживать и избегать необходимости изоляции чистых культур и подтверждающих тестов. [3]
Иммунологические методы с использованием моноклональных антител могут использоваться для обнаружения индикаторных бактерий в образцах воды. Предварительное культивирование в выбранной среде должно предшествовать обнаружению, чтобы избежать обнаружения мертвых клеток. Технология антител ELISA была разработана для обеспечения считываемого обнаружения невооруженным глазом для быстрой идентификации микроколоний кишечной палочки . Другие применения антител для обнаружения используют магнитные шарики, покрытые антителами, для концентрации и разделения ооцист и цист , как описано ниже для методов иммуномагнитного разделения (ИМС). [3]
Иммуномагнитное разделение включает очищенные антигены, биотинилированные и связанные с парамагнитными частицами, покрытыми стрептоавидином. Сырой образец смешивается с бусинами, затем используется специальный магнит для удержания целевых организмов у стенки флакона, а несвязанный материал сливается. Этот метод может быть использован для извлечения специфических индикаторных бактерий. [3]
Методы, основанные на последовательности генов, зависят от распознавания эксклюзивных последовательностей генов, характерных для определенных штаммов организмов. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) — это методы, основанные на последовательности генов, которые в настоящее время используются для обнаружения определенных штаммов индикаторных бактерий. [3]
В рекомендациях Всемирной организации здравоохранения по качеству питьевой воды указано, что Escherichia coli как индикаторный организм обеспечивает убедительное доказательство недавнего фекального загрязнения и не должна присутствовать в воде, предназначенной для потребления человеком. [4] В США правило Агентства по охране окружающей среды США по общему содержанию кишечных палочек гласит, что система общественного водоснабжения не соответствует требованиям, если более 5 процентов ее ежемесячных проб воды содержат кишечные палочки. [5]
Ранние исследования показали, что у людей, которые плавали в водах со средней геометрической плотностью колиформных бактерий выше 2300/100 мл в течение трех дней, наблюдались более высокие показатели заболеваемости. [6] В 1960-х годах эти цифры были преобразованы в фекальные концентрации колиформных бактерий, предполагая, что 18 процентов от общего числа колиформных бактерий были фекальными. Соответственно, Национальный технический консультативный комитет в США рекомендовал следующий стандарт для рекреационных вод в 1968 году: 10 процентов от общего числа образцов в течение любого 30-дневного периода не должны превышать 400 фекальных колиформных бактерий/100 мл или логарифмического среднего 200/100 мл (на основе минимум 5 образцов, взятых в течение не более 30-дневного периода). [7]
Несмотря на критику, EPA рекомендовало этот критерий снова в 1976 году, однако Агентство инициировало многочисленные исследования в 1970-х и 1980-х годах, чтобы преодолеть недостатки более ранних исследований. В 1986 году EPA пересмотрело свои рекомендации по бактериологическим критериям качества окружающей воды, включив в них E. coli и энтерококки.
[7]
Подход Национальной инициативы по агроэкологическим стандартам Канады к характеристике рисков, связанных с загрязнением фекальной воды бактериальным качеством воды на сельскохозяйственных участках, заключается в сравнении этих участков с контрольными участками вдали от источников загрязнения человеком или домашним скотом. Этот подход обычно приводит к более низким уровням, если E. coli используется в качестве стандарта или «эталона» на основе исследования, которое показало, что патогены были обнаружены в 80% образцов воды с содержанием менее 100 КОЕ E. coli на 100 мл. [8]
Большинство случаев бактериального гастроэнтерита вызваны кишечными микроорганизмами пищевого происхождения, такими как Salmonella и Campylobacter ; однако также важно понимать риск воздействия патогенов через рекреационные воды. Это особенно актуально в водоразделах, где отходы жизнедеятельности человека или животных сбрасываются в ручьи, а воды ниже по течению используются для купания или других видов рекреационной деятельности. Другие важные патогены, помимо бактерий, включают вирусы, такие как ротавирус , гепатит А и гепатит Е , и простейшие, такие как лямблии , криптоспоридии и Naegleria fowleri . [9] Из-за трудностей, связанных с мониторингом патогенов в окружающей среде, оценки риска часто полагаются на использование индикаторных бактерий.
В 1950-х годах в США была проведена серия эпидемиологических исследований для определения связи между качеством воды в природных водоемах и здоровьем купальщиков. Результаты показали, что у пловцов чаще наблюдались желудочно-кишечные симптомы, глазные инфекции, кожные заболевания, инфекции уха, носа и горла, а также респираторные заболевания, чем у неплавающих людей, и в некоторых случаях более высокие уровни кишечной палочки коррелировали с более высокой частотой желудочно-кишечных заболеваний, хотя размеры выборок в этих исследованиях были небольшими. С тех пор проводились исследования для подтверждения причинно-следственных связей между плаванием и определенными результатами для здоровья. Обзор 22 исследований в 1998 году [10] подтвердил, что риски для здоровья для пловцов увеличивались по мере увеличения количества индикаторных бактерий в рекреационных водах и что концентрации кишечной палочки и энтерококков лучше всего коррелировали с результатами для здоровья среди всех изученных показателей. Относительный риск (RR) заболевания для пловцов в загрязненной пресной воде по сравнению с пловцами в незагрязненной воде составлял 1–2 для большинства рассмотренных наборов данных. В том же исследовании сделан вывод о том, что бактериальные показатели не очень хорошо коррелируют с концентрацией вирусов. [10]
Выживание патогенов в отходах, почве или воде зависит от многих факторов окружающей среды, включая температуру, pH, содержание органических веществ, влажность, воздействие света и присутствие других организмов. [11] Фекальный материал может быть напрямую осажден, смыт в воду поверхностным стоком, перенесен через землю или сброшен в поверхностные воды через канализационные линии, трубы или дренажные плитки. Риск воздействия на людей требует:
Темпы гибели бактерий в окружающей среде часто экспоненциальны, поэтому прямое попадание фекального материала в воду обычно способствует более высокой концентрации патогенов, чем материал, который необходимо переносить по суше или через недра.
В целом, детям, пожилым людям и людям с ослабленным иммунитетом требуется меньшая доза патогенного организма, чтобы заразиться инфекцией. В настоящее время существует очень мало исследований, которые могут количественно оценить количество времени, которое люди, вероятно, проведут в рекреационных водах, и сколько воды они, вероятно, проглотят. В целом, дети плавают чаще, остаются в воде дольше, погружают голову в воду чаще и глотают больше воды. Это заставляет людей больше бояться воды в море, так как на них и вокруг них будет расти больше бактерий.
Количественные оценки микробиологического риска (QMRA) объединяют концентрацию патогенов в воде с зависимостью «доза-реакция» и данными, отражающими потенциальное воздействие, для оценки риска заражения.
Данные о воздействии воды обычно собираются с помощью анкет, но также могут быть определены на основе фактических измерений выпитой воды или оценены на основе ранее опубликованных данных. Респондентов просят сообщить частоту, время и место воздействия, подробную информацию о количестве выпитой воды и погружении головы в воду, а также основные демографические характеристики, такие как возраст, пол, социально-экономический статус и состав семьи. После того, как будет собрано достаточно данных и определено, что они являются репрезентативными для населения в целом, они обычно соответствуют распределениям, и эти параметры распределения затем используются в уравнениях оценки риска. Данные мониторинга, представляющие возникновение патогенов, прямое измерение концентраций патогенов или оценки, выводящие концентрации патогенов из концентраций индикаторных бактерий, также соответствуют распределениям. Доза рассчитывается путем умножения концентрации патогенов на объем на объем. Доза-реакция также может соответствовать распределению. [12]
Чем больше предположений сделано, тем более неопределенными будут оценки риска, связанного с патогенами. Однако даже при значительной неопределенности QMRA являются хорошим способом сравнения различных сценариев риска. В исследовании, сравнивающем предполагаемые риски для здоровья от воздействия рекреационных вод, подвергшихся воздействию человеческих и нечеловеческих источников фекального загрязнения, QMRA определил, что риск желудочно-кишечных заболеваний от воздействия вод, подвергшихся воздействию крупного рогатого скота, был аналогичен риску, подвергшемуся воздействию человеческих отходов, и был выше, чем для вод, подвергшихся воздействию фекалий чаек, кур или свиней. [13] Такие исследования могут быть полезны для риск-менеджеров для определения того, как лучше всего сосредоточить свои ограниченные ресурсы, однако риск-менеджеры должны знать об ограничениях данных, используемых в этих расчетах. Например, в этом исследовании использовались данные, описывающие концентрации сальмонеллы в куриных фекалиях, опубликованные в 1969 году. [14] Методы количественной оценки бактерий, изменения в практике содержания животных и санитарии, а также многие другие факторы могли изменить распространенность сальмонеллы с того времени. Кроме того, такой подход часто игнорирует сложные процессы распространения и переноса бактерий, которые определяют концентрацию бактерий от источника до точки воздействия.
В США отдельным штатам разрешено разрабатывать собственные стандарты качества воды на основе рекомендаций Агентства по охране окружающей среды в соответствии с Законом о чистой воде 1977 года. После утверждения стандартов качества воды штатам поручается контролировать свои поверхностные воды, чтобы определить, где происходят нарушения, и разрабатываются планы водоразделов, называемые общими максимальными суточными нагрузками (TMDL), для направления усилий по улучшению качества воды, включая изменения допустимой нагрузки бактерий точечными источниками и рекомендации по изменению методов, которые снижают вклад неточечных источников в нагрузку бактерий. Кроме того, во многих штатах действуют программы мониторинга пляжей, чтобы предупреждать пловцов об обнаружении высоких уровней индикаторных бактерий. [15]