Indikační bakterie - Indicator bacteria

Indikační bakterie jsou typy bakterie slouží k detekci a odhadu úrovně fekální kontaminace vody. Nejsou nebezpečné pro lidské zdraví, ale slouží k označení zdravotního rizika.

Každý gram člověka výkaly obsahuje přibližně ~ 100 miliard (1×1011) bakterie.[1] Tyto bakterie mohou zahrnovat druhy patogenní bakterie, jako např Salmonella nebo Campylobacter, spojený s gastroenteritida. Kromě toho mohou výkaly obsahovat patogenní viry, prvoky a paraziti. Fekální materiál může vstoupit do prostředí z mnoha zdrojů, včetně čistírny odpadních vod, hnůj pro hospodářská zvířata nebo drůbež, sanitární skládky, septické systémy, čistírenský kal, domácí zvířata a divoká zvěř. Při požití dostatečného množství mohou fekální patogeny způsobit onemocnění. Rozmanitost a často nízké koncentrace patogenů ve vodách životního prostředí znesnadňují individuální testování. Veřejné agentury proto používají jako indikátory přítomnosti fekální kontaminace přítomnost dalších hojnějších a snáze detekovatelných fekálních bakterií.

Kritéria pro indikátorové organismy

The Americká agentura na ochranu životního prostředí (EPA) uvádí následující kritéria, aby byl organismus ideálním indikátorem fekální kontaminace:[Citace je zapotřebí ]

  1. Organismus by měl být přítomen vždy, když jsou přítomny střevní patogeny
  2. Organismus by měl být užitečný pro všechny druhy vody
  3. Organismus by měl mít delší dobu přežití než nejtvrdší enterický patogen
  4. Organismus by neměl růst ve vodě
  5. Organismus by se měl nacházet ve střevech teplokrevných zvířat.

Žádný z typů indikátorových organismů, které se v současné době používají, dokonale nesplňuje všechna tato kritéria, avšak při zohlednění nákladů je použití indikátorů nezbytné.

Druhy indikátorových organismů

Běžně používané indikátorové bakterie zahrnují celkem koliformních bakterií nebo podmnožinu této skupiny, fekální koliformní bakterie, které se nacházejí ve střevním traktu teplokrevných zvířat. Celkové koliformní bakterie byly používány jako fekální indikátory veřejnými agenturami v USA již ve 20. letech 20. století. Tyto organismy lze identifikovat na základě skutečnosti, že všechny metabolizují laktózu cukru a produkují kyselinu i plyn jako vedlejší produkty. Fekální koliformní bakterie jsou užitečnější jako indikátory rekreačních vod než celkové koliformní bakterie, které zahrnují druhy, které se přirozeně vyskytují v rostlinách a půdě; existují však i některé druhy fekálních koliformních bakterií, které nemají fekální původ, jako např Klebsiella pneumoniae. Snad největší nevýhodou používání koliformních bakterií jako indikátorů je to, že mohou za určitých podmínek růst ve vodě.

Escherichia coli (E-coli) a enterokoky se také používají jako indikátory.

Současné metody detekce

Membránová filtrace a kultivace na selektivním médiu

Kolonie enterokoků rostoucí na selektivním agaru po membránové filtraci.

Indikační bakterie mohou být kultivovaný na média které jsou specificky formulovány tak, aby umožňovaly růst sledovaných druhů a inhibovaly růst jiných organismů. Typicky jsou vzorky vody z prostředí filtrovány přes membrány s malými velikostmi pórů a poté jsou membrány umístěny na selektivní agar. Často je nutné měnit objem filtrovaného vzorku vody, aby se zabránilo tvorbě příliš malého počtu kolonií na desce. Bakteriální kolonie lze spočítat po 24 až 48 hodinách v závislosti na typu bakterií. Počty se uvádějí jako jednotky tvořící kolonie na 100 ml (cfu / 100 ml).

Rychlé detekce pomocí chromogenních látek

Jednou technikou pro detekci indikátorových organismů je použití chromogenních sloučenin, které se přidávají do konvenčních nebo nově vyvinutých médií používaných k izolaci indikátorových bakterií. Tyto chromogenní sloučeniny jsou modifikovány tak, aby změnily barvu nebo fluorescenci přidáním buď enzymů, nebo specifických bakteriálních metabolitů. To umožňuje snadnou detekci a eliminuje potřebu izolace čistých kultur a potvrzovacích testů.[2]

Aplikace protilátek

Imunologické metody využívající monoklonální protilátky lze použít k detekci indikátorových bakterií ve vzorcích vody. Prekultivace na vybraném médiu musí předcházet detekci, aby se zabránilo detekci mrtvých buněk. ELISA byla vyvinuta technologie protilátek, která umožňuje čitelnou detekci pouhým okem pro rychlou identifikaci koliformních bakterií mikrokolonie. Jiná použití protilátek při detekci používají magnetické kuličky potažené protilátkami pro koncentraci a separaci oocysty a cysty jak je popsáno níže pro metody imunomagnetické separace (IMS).[2]

IMS / kultura a další rychlé metody založené na kultuře

Imunomagnetická separace zahrnuje purifikované antigeny biotinylované a vázané na paramagnetické částice potažené streptoavidinem. Surový vzorek se smíchá s kuličkami, poté se pomocí specifického magnetu přidrží cílové organismy proti stěně lahvičky a nenavázaný materiál se odlije. Tuto metodu lze použít k izolaci specifických indikátorových bakterií.[2]

Metody založené na genové sekvenci

Metody založené na genové sekvenci závisí na rozpoznávání výlučných genových sekvencí, zejména pro specifické kmeny organismů. Polymerázová řetězová reakce (PCR) a fluorescence in situ hybridizace (FISH) jsou metody založené na genové sekvenci, které se v současné době používají k detekci specifických kmenů indikátorových bakterií.[2]

Normy kvality vody pro bakterie

Normy pitné vody

Světová zdravotnická organizace Pokyny pro kvalitu pitné vody uvádějí, že jde o indikátorový organismus Escherichia coli poskytuje nezvratný důkaz nedávné fekálie znečištění a měl by ne být přítomny ve vodě určené k lidské spotřebě. V USA je to EPA Celkové koliformní pravidlo uvádí, že vodní systém není v souladu s předpisy, pokud více než 5 procent jeho měsíčních vzorků vody obsahuje koliformní bakterie.[3]

Rekreační standardy

Rané studie ukázaly, že jedinci, kteří tři dny plavali ve vodách s geometrickým průměrem koliformních hustot nad 2300/100 ml, měli vyšší míru nemoci.[4] V 60. letech byla tato čísla převedena na fekální koliformní koncentrace za předpokladu, že 18 procent z celkových koliformních bakterií bylo fekálních. V důsledku toho Národní technický poradní výbor v USA doporučil v roce 1968 následující standard pro rekreační vody: 10 procent z celkového počtu vzorků během jakéhokoli 30denního období by nemělo překročit 400 fekálních koliformních bakterií / 100 ml nebo průměrnou hodnotu 200/100 ml ( na základě minimálně 5 odebraných vzorků po dobu nejvýše 30 dnů).[5]

Navzdory kritice doporučila EPA toto kritérium znovu v roce 1976, avšak agentura zahájila v 70. a 80. letech řadu studií s cílem překonat slabosti dřívějších studií. V roce 1986 EPA revidovala svá doporučení týkající se kritérií bakteriologické kvality okolní vody E-coli a enterokoky.

Maximální povolená hustota jednoho vzorku na 100 ml
Typ vodyIndikátorPřijatelná míra gastroenteritidy spojené s plaváním na 1000 plavcůGeometrický střední indikátor hustoty ustáleného stavu na 100 mlProstor pro pláž (horní 75% C.L.)Mírná rekreace s kontaktem celého těla (horní 82% C.L.)Lehce využívaná rekreace s kontaktem celého těla (horní 90% C.L.)Zřídka využívaná rekreace s kontaktem celého těla (horní 95% C.L.)
SladkovodníE-coli8126235298409575
enterokoky8336178107151
Mořská vodaE-coli1935104158276501

[5]

Přístup kanadské národní iniciativy pro agroenvironmentální standardy k charakterizaci rizik spojených se znečištěním fekální vody kvalitou bakteriální vody v zemědělských lokalitách je porovnat tyto lokality s těmi v referenčních lokalitách mimo lidské nebo živočišné zdroje. Tento přístup obecně vede k nižším úrovním, pokud E-coli je používán jako standard nebo „referenční hodnota“ na základě studie, která ukázala, že patogeny byly detekovány v 80% vzorků vody s méně než 100 cfu E-coli na 100 ml.[6]

Posouzení rizika expozice patogenům v rekreačních vodách

Většina případů bakteriální gastroenteritidy je způsobena potravinovými enterálními mikroorganismy, jako jsou Salmonella a Campylobacter; je však také důležité pochopit riziko expozice patogenům prostřednictvím rekreačních vod. To platí zejména v povodích, kde jsou lidské nebo zvířecí odpady vypouštěny do potoků a spodní vody jsou využívány ke koupání nebo jiným rekreačním činnostem. Mezi další důležité patogeny jiné než bakterie patří viry jako např rotavirus, žloutenka typu A a hepatitida E. a prvoky Giardia, kryptosporidium a Naegleria fowleri.[7] Kvůli obtížím spojeným se sledováním patogenů v životním prostředí se hodnocení rizik často spoléhá na použití indikátorových bakterií.

The New River jak vstupuje Kalifornie je tmavě zelená, bílá (pěna) a mléčně hnědá / zelená. Fekální koliformní bakterie a fekální streptokoky byly důsledně detekovány v Nové řece u Hranice mezi Mexikem a USA.

Epidemiologické studie

V padesátých letech byla v USA provedena řada epidemiologických studií ke stanovení vztahu mezi kvalitou vody v přírodních vodách a zdravím koupajících se. Výsledky ukázaly, že plavci měli větší pravděpodobnost gastrointestinálních příznaků, očních infekcí, kožních potíží, infekcí uší, nosu a krku a respiračních onemocnění než neplavci a v některých případech vyšší koliformní hladiny korelovaly s vyšším výskytem gastrointestinálních onemocnění, i když velikosti vzorků v těchto studiích byly malé. Od té doby byly provedeny studie k potvrzení příčinných vztahů mezi plaváním a určitými zdravotními výsledky. Přehled 22 studií z roku 1998[8] potvrdilo, že zdravotní rizika pro plavce vzrostla se zvyšujícím se počtem indikátorových bakterií v rekreačních vodách a podobně E-coli a koncentrace enterokoků korelovaly nejlépe se zdravotními výsledky ze všech studovaných ukazatelů. Relativní riziko (RR) nemoci pro plavce ve znečištěné sladké vodě oproti plavcům v neznečištěné vodě bylo u většiny hodnocených souborů dat mezi 1–2. Stejná studie dospěla k závěru, že bakteriální ukazatele dobře nekorelují s koncentracemi viru.[8]

Osud a transport patogenů

Přežití patogenů v odpadních materiálech, půdě nebo vodě závisí na mnoha faktorech prostředí, včetně teploty, pH, obsahu organických látek, vlhkosti, vystavení světlu a přítomnosti dalších organismů.[9] Fekální materiál lze přímo ukládat, vyplavovat do vod povrchovým odtokem, transportovat přes zem nebo vypouštět do povrchových vod kanalizačními potrubími, potrubími nebo drenážními dlaždicemi. Riziko expozice lidem vyžaduje: (1) patogeny, aby přežily a byly přítomny; 2) patogeny, které se znovu vytvářejí v povrchových vodách; a (3) jednotlivci, kteří přicházejí do styku s vodou po dostatečnou dobu, nebo požívají dostatečné množství vody, aby dostali infekční dávku. Míra odumírání bakterií v životním prostředí je často exponenciální, proto přímé ukládání fekálního materiálu do vody obecně přispívá k vyšším koncentracím patogenů než materiál, který musí být transportován po zemi nebo podpovrchovým povrchem.

Expozice člověka

Obecně platí, že děti, starší lidé a imunokompromitovaný jedinci potřebují k nakažení infekci nižší dávku patogenního organismu. V současné době existuje jen velmi málo studií, které jsou schopné vyčíslit množství času, který lidé pravděpodobně stráví v rekreačních vodách a kolik vody pravděpodobně požijí. Obecně platí, že děti plavou častěji, zůstávají déle ve vodě, častěji ponoří hlavu a polykají více vody. Díky tomu se lidé více bojí vody v moři, protože na nich a kolem nich bude růst více bakterií.

Kvantitativní hodnocení mikrobiologických rizik

Kvantitativní hodnocení mikrobiologických rizik (QMRA) kombinují koncentrace patogenů ve vodě se vztahy mezi dávkou a odezvou a údaji odrážejícími potenciální expozici pro odhad rizika infekce.

Údaje o expozici vody se obvykle shromažďují pomocí dotazníků, lze je však také určit ze skutečných měření požité vody nebo odhadnout z dříve publikovaných údajů. Od respondentů se požaduje, aby uvedli frekvenci a načasování a umístění expozic, podrobné informace o množství spolknuté vody a ponoření hlavy a základní demografické charakteristiky, jako je věk, pohlaví, socioekonomický stav a složení rodiny. Jakmile se shromáždí dostatečné údaje a určí se, že jsou reprezentativní pro běžnou populaci, obvykle se hodí k distribucím a tyto distribuční parametry se poté použijí v rovnicích hodnocení rizik. Monitorovací data představující výskyt patogenů, přímé měření koncentrací patogenů nebo odhady odvozující koncentrace patogenů z koncentrací indikátorových bakterií jsou také vhodné pro distribuce. Dávka se vypočítá vynásobením koncentrace patogenů na objem a objem. Reakce na dávku lze také přizpůsobit distribuci.[10]

Řízení rizik a důsledky politiky

Čím více předpokladů bude učiněno, tím bude nejistější odhad rizika souvisejícího s patogeny. I při značné nejistotě jsou však QMRA dobrým způsobem, jak porovnávat různé rizikové scénáře. Ve studii porovnávající odhadovaná zdravotní rizika z vystavení rekreačním vodám ovlivněným zdroji fekální kontaminace člověkem a jinými než lidskými zdroji stanovila QMRA, že riziko gastrointestinálních onemocnění z vystavení vodám ovlivněným skotem je podobné rizikům ovlivněným lidským odpadem a tyto byly vyšší než u vod zasažených výkaly racků, kuřat nebo prasat.[11] Takové studie by mohly být užitečné pro manažery rizik pro určení, jak nejlépe zaměřit své omezené zdroje, avšak manažeři rizik si musí být vědomi omezení údajů použitých při těchto výpočtech. Tato studie například použila údaje popisující koncentrace Salmonella ve slepičích výkalech publikovaných v roce 1969.[12] Metody pro kvantifikaci bakterií, změny v postupech ustájení zvířat a sanitaci a mnoho dalších faktorů mohly změnit prevalenci Salmonella od té doby. Takový přístup také často ignoruje komplikovaný osud a transportní procesy, které určují koncentrace bakterií ze zdroje do bodu expozice.

Řešení problémů s kvalitou bakteriální vody

V USA mohou jednotlivé státy vytvářet své vlastní standardy kvality vody na základě doporučení EPA v rámci EU Zákon o čisté vodě z roku 1977. Jakmile jsou standardy kvality vody schváleny, mají státy za úkol sledovat jejich povrchové vody, aby určily, kde dochází ke zhoršení, a plány povodí nazývané Celkový maximální denní náklad (TMDL) jsou vyvinuty s cílem nasměrovat úsilí ke zlepšení kvality vody, včetně změn povoleného zatížení bakteriemi pomocí bodové zdroje a doporučení pro změny postupů, které snižují nonpoint-source příspěvky na zatížení bakteriemi. Mnoho států má také programy monitorování pláže, které varují plavce, když jsou detekovány vysoké hladiny indikátorových bakterií.[13]

Reference

  1. ^ Beactiviahealth. "Střevní mikroflóra". Activia. Archivovány od originál dne 2012-04-25.
  2. ^ A b C d Ashbolt, N., Snozzi, G. a M. (2001). Kvalita vody: Pokyny, normy a zdraví. Světová zdravotnická organizace (WHO). Kapitola 13: Ukazatele kvality mikrobiální vody. str. 289-316
  3. ^ Americká agentura na ochranu životního prostředí (EPA) (1989-06-29). „Pitná voda; národní předpisy o primární pitné vodě; celkový počet koliformních bakterií“ (PDF). Washington DC. 54 FR 27544.
  4. ^ Stevenson, A (1953). „Studie kvality a zdraví vody ke koupání“. American Journal of Public Health and the Nation's Health. 43 (5): 529–538. doi:10.2105 / ajph.43.5_pt_1.529. PMC  1620266. PMID  13040559.
  5. ^ A b EPA (1986). „Kritéria kvality okolní vody pro bakterie - 1986“ (PDF). Dokument číslo. EPA-440 / 5-84-002.
  6. ^ Edge, TA; El-Shaarawi, A .; Gannon, V .; Jokinen, C .; Kent, R .; Khan, I.U.H .; Koning, W .; Lapen, D .; Miller, J .; Neumann, N .; Phillips, R .; Robertson, W .; Schreier, H .; Scott, A .; Shtepani, I .; Topp, E .; Wilkes, G .; van Bochove, E. (2011). „Vyšetřování environmentální referenční hodnoty esherischi coli pro vodní patogeny v povodí v Kanadě“. Journal of Quality Quality. 40: x – x.
  7. ^ „Waterborne Pathogens“. Stát Montana. Citováno 14. srpna 2016.
  8. ^ A b Pruss, A (1998). „Přehled epidemiologických studií o účincích na zdraví při vystavení rekreační vodě“. International Journal of Epidemiology. 27 (1): 1–9. doi:10.1093 / ije / 27.1.1. PMID  9563686.
  9. ^ Guan, Tat Yee; R. A. Holley (2003). „Přežití patogenů v prostředí hnoje prasat a přenos lidské enterosolventní nemoci - přehled“. Journal of Quality Quality. 32 (2): 383–392. doi:10.2134 / jeq2003.0383.
  10. ^ Schets, Franciska M .; Schijven, Jack F .; de Roda Husman, Ana Maria (2011). „Hodnocení expozice pro plavce ve vodách ke koupání a v bazénech“. Vodní výzkum. 45 (7): 2392–2400. doi:10.1016 / j.watres.2011.01.025. PMID  21371734.
  11. ^ Soller, Jeffrey A .; Mary E. Schoen; Timothy Bartrand; John E. Ravenscroft; Nicholas J. Ashbolt (2010). „Odhadovaná rizika pro lidské zdraví v důsledku expozice rekreačním vodám ovlivněným zdroji fekální kontaminace člověkem i jinými než lidské zdroje“. Vodní výzkum. 44 (16): 4674–4691. doi:10.1016 / j.watres.2010.06.049. PMID  20656314.
  12. ^ Kraft, D. J .; Carolyn Olechowski-Gerhardt; J. Berkowitz; a M.S. Finstein (1969). „Salmonella v odpadech produkovaných na komerčních drůbežářských farmách“. Aplikovaná mikrobiologie. 18 (5): 703–707. doi:10.1128 / AEM.18.5.703-707.1969. PMID  5370457.
  13. ^ EPA. „Monitorování a oznámení na pláži“. Citováno 2014-05-31.