Индикаторные бактерии

Бактерии-индикаторы — это виды бактерий, используемые для обнаружения и оценки уровня фекального загрязнения воды. Они не опасны для здоровья человека, но используются для обозначения наличия риска для здоровья.

Каждый грамм человеческих фекалий содержит примерно 100 миллиардов ( 1 × 10 ¹¹ ) бактерии. Эти бактерии могут включать виды патогенных бактерий, таких как Salmonella или Campylobacter , ассоциированные с гастроэнтеритом . Кроме того, в фекалиях могут содержаться болезнетворные вирусы , простейшие и паразиты . Фекальный материал может попасть в окружающую среду из многих источников, включая очистные сооружения , навоз домашнего скота или птицы, санитарные свалки, септические системы , осадки сточных вод , домашних животных и диких животных. При проглатывании достаточного количества фекальные патогены могут вызвать заболевание. Разнообразие и часто низкие концентрации патогенов в природных водах затрудняют их индивидуальное тестирование. Поэтому государственные учреждения используют наличие других, более многочисленных и более легко обнаруживаемых фекальных бактерий, в качестве индикатора наличия фекального загрязнения. Помимо бактерий, обнаруживаемых в фекалиях, их также можно обнаружить в содержимом полости рта и кишечника.

Критерии индикаторных организмов

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) перечисляет следующие критерии, по которым организм может быть идеальным индикатором фекального загрязнения:

1. Организм должен присутствовать всякий раз, когда присутствуют кишечные патогены.
2. Организму должна быть полезна любая вода.
3. Организм должен иметь более длительное время выживания, чем самый устойчивый кишечный патоген.
4. Организм не должен расти в воде.
5. Организм должен быть обнаружен в кишечнике теплокровных животных.

Ни один из типов индикаторных организмов, используемых в настоящее время, не соответствует всем этим критериям в полной мере, однако, если учитывать стоимость, использование индикаторов становится необходимым.

Виды индикаторных организмов

Обычно используемые индикаторные бактерии включают общие колиформы или подгруппу этой группы, фекальные колиформы , которые обнаруживаются в кишечном тракте теплокровных животных. Общие колиформы использовались в качестве индикаторов фекалий государственными учреждениями США еще в 1920-х годах. Эти организмы можно идентифицировать по тому факту, что все они метаболизируют сахарную лактозу, производя как кислоту, так и газ в качестве побочных продуктов. Фекальные колиформы более полезны в качестве индикаторов рекреационных вод, чем общие колиформы, которые включают виды, которые естественным образом встречаются в растениях и почве; однако существуют даже некоторые виды фекальных колиформ, не имеющие фекального происхождения, например Klebsiella pneumoniae . Возможно, самым большим недостатком использования колиформ в качестве индикаторов является то, что они могут расти в воде при определенных условиях.

кишечную палочку ( E.coli ) и энтерококки В качестве индикаторов также используют .

Современные методы обнаружения

Мембранная фильтрация и культура на селективных средах

Колонии энтерококков, растущие на селективном агаре после мембранной фильтрации.

Бактерии-индикаторы 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 небольшим размером пор, а затем мембрану помещают на селективный агар. Часто необходимо варьировать объем фильтруемой пробы воды, чтобы предотвратить образование слишком малого или слишком большого количества колоний на чашке. 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).

Быстрое обнаружение с использованием хромогенных веществ

Одним из методов обнаружения индикаторных организмов является использование хромогенных соединений, которые добавляются в традиционные или вновь разработанные среды, используемые для выделения индикаторных бактерий. Эти хромогенные соединения модифицируются для изменения цвета или флуоресценции путем добавления ферментов или специфических бактериальных метаболитов. Это обеспечивает легкое обнаружение и позволяет избежать необходимости выделения чистых культур и подтверждающих тестов.

Применение антител

иммунологические методы с использованием моноклональных антител Для обнаружения индикаторных бактерий в пробах воды можно использовать . Предварительное культивирование в выбранной среде должно предшествовать обнаружению, чтобы избежать обнаружения мертвых клеток. Технология ELISA антител была разработана, чтобы обеспечить читаемое обнаружение невооруженным глазом и быструю идентификацию микроколоний колиформной группы . В других случаях применения антител при обнаружении используются магнитные шарики, покрытые антителами, для концентрации и разделения ооцист и кист , как описано ниже для методов иммуномагнитного разделения (IMS).

IMS/культура и другие быстрые методы, основанные на культуре

Иммуномагнитное разделение включает очищенные антигены, биотинилированные и связанные с парамагнитными частицами, покрытыми стрептоавидином. Необработанный образец смешивается с гранулами, затем используется специальный магнит, который удерживает целевые организмы у стенок флакона, и несвязанный материал выливается. Этот метод можно использовать для выделения специфических индикаторных бактерий.

Методы, основанные на последовательностях генов

Методы, основанные на последовательностях генов, зависят от распознавания эксклюзивных последовательностей генов, характерных для конкретных штаммов организмов. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) представляют собой методы, основанные на изучении последовательностей генов, которые в настоящее время используются для обнаружения конкретных штаммов индикаторных бактерий.

Стандарты качества воды для бактерий

Стандарты питьевой воды

В рекомендациях Всемирной организации здравоохранения по качеству питьевой воды говорится, что в качестве индикаторного организма Escherichia coli представляет собой убедительное свидетельство недавнего фекального загрязнения и не должна присутствовать в воде, предназначенной для потребления человеком. В США правило EPA по общему количеству колиформных бактерий гласит, что общественная система водоснабжения не соответствует требованиям, если более 5 процентов ее ежемесячных проб воды содержат колиформы.

Рекреационные стандарты

Ранние исследования показали, что у людей, которые плавали в водах со средней геометрической плотностью колиформ выше 2300/100 мл в течение трех дней, наблюдался более высокий уровень заболеваемости. В 1960-х годах эти цифры были преобразованы в концентрации фекальных колиформ, исходя из того, что 18 процентов от общего числа колиформ были фекальными. Следовательно, Национальный технический консультативный комитет США рекомендовал в 1968 году следующий стандарт для рекреационных вод: 10 процентов общего количества проб в течение любого 30-дневного периода не должны превышать 400 фекальных колиформ на 100 мл или логарифмическое среднее значение 200/100 мл ( на основе минимум 5 проб, взятых не более чем за 30-дневный период).

Несмотря на критику, Агентство по охране окружающей среды снова рекомендовало этот критерий в 1976 году, однако в 1970-х и 1980-х годах Агентство инициировало многочисленные исследования, чтобы преодолеть недостатки более ранних исследований. В 1986 году Агентство по охране окружающей среды пересмотрело свои рекомендации по бактериологическим критериям качества окружающей воды, включив в них E. coli и энтерококки.

				Максимально допустимая плотность одного образца на 100 мл
Тип воды	Индикатор	Допустимый уровень гастроэнтерита, связанного с плаванием, на 1000 пловцов	Среднестатистическая геометрическая плотность индикатора на 100 мл	Определенная пляжная зона (уровень CL выше 75%)	Умеренный контакт всего тела (сверх 82% CL)	Слегка используемый отдых с контактом всего тела (Верхние 90% CL)	Редко используемый отдых с контактом всего тела (Верхние 95% CL)
Пресноводный	кишечная палочка	8	126	235	298	409	575
	энтерококки	8	33	61	78	107	151
Морская вода	кишечная палочка	19	35	104	158	276	501

Подход Канадской национальной инициативы по агроэкологическим стандартам к характеристике рисков, связанных с загрязнением фекальными водами бактериального качества воды на сельскохозяйственных участках, заключается в сравнении этих участков с аналогичными участками на эталонных участках вдали от источников, связанных с человеком или животноводством. Этот подход обычно приводит к более низким уровням, если E. coli используется в качестве стандарта или «эталона» на основании исследования, которое показало, что патогены были обнаружены в 80% проб воды с содержанием E. coli менее 100 КОЕ на 100 мл.

Оценка риска воздействия патогенов в рекреационных водах

Большинство случаев бактериального гастроэнтерита вызваны пищевыми кишечными микроорганизмами, 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 отдыха. Другие важные патогены, помимо бактерий, включают такие вирусы, как ротавирус , гепатит А и гепатит Е , а также простейшие, такие как лямблии , криптоспоридии и Naegleria fowleri . Из-за трудностей, связанных с мониторингом патогенов в окружающей среде, оценка риска часто основывается на использовании индикаторных бактерий.

Река Нью-Ривер при впадении в Калифорнию имеет темно-зеленый, белый (пена) и молочно-коричневый/зеленый цвет. Фекальные колиформы и фекальные стрептококки постоянно выявлялись в реке Нью-Ривер на границе Мексики и США .

Эпидемиологические исследования

В 1950-х годах в США была проведена серия эпидемиологических исследований с целью определить взаимосвязь между качеством воды в природных водоемах и здоровьем купающихся. Результаты показали, что у пловцов чаще наблюдались желудочно-кишечные симптомы, глазные инфекции, кожные жалобы, инфекции уха, носа и горла, а также респираторные заболевания, чем у не умеющих плавать, а в некоторых случаях более высокие уровни колиформ коррелировали с более высокой заболеваемостью желудочно-кишечными заболеваниями, хотя размеры выборки в этих исследованиях были небольшими. С тех пор были проведены исследования для подтверждения причинно-следственной связи между плаванием и некоторыми последствиями для здоровья. Обзор 22 исследований 1998 г. подтвердили, что риски для здоровья пловцов возрастают по мере увеличения количества индикаторных бактерий в рекреационных водах и что концентрации кишечной палочки и энтерококков лучше всего коррелируют с последствиями для здоровья среди всех изученных показателей. Относительный риск (ОР) заболевания для пловцов в загрязненной пресной воде по сравнению с пловцами в незагрязненной воде находился в пределах 1–2 для большинства рассмотренных наборов данных. В том же исследовании был сделан вывод, что бактериальные показатели плохо коррелируют с концентрациями вируса.

Судьба и транспорт патогенов

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. Фекальный материал может откладываться непосредственно, смываться в воду поверхностными стоками, переноситься через землю или сбрасываться в поверхностные воды через канализационные линии, трубы или дренажные плитки. Риск воздействия на человека требует:

1. Патогены должны выжить и присутствовать;
2. Патогены, воспроизводящиеся в поверхностных водах;
3. Лица должны контактировать с водой в течение достаточного времени или употреблять достаточное количество воды для получения инфекционной дозы.

Скорость гибели бактерий в окружающей среде часто экспоненциальна, поэтому прямое попадание фекального материала в воду обычно приводит к более высоким концентрациям патогенов, чем материал, который необходимо транспортировать по суше или через недра.

Воздействие на человека

Как правило, детям, пожилым людям и людям с ослабленным иммунитетом требуется более низкая доза патогенного организма, чтобы заразиться инфекцией. В настоящее время существует очень мало исследований, которые способны количественно оценить количество времени, которое люди могут провести в рекреационных водоемах, и сколько воды они могут выпить. В целом дети чаще плавают, дольше остаются в воде, чаще погружают голову в воду и глотают больше воды. Это заставляет людей больше бояться воды в море, поскольку на них и вокруг них будет расти больше бактерий.

Количественная оценка микробиологического риска

Количественные оценки микробиологического риска (QMRA) объединяют концентрации патогенов в воде с зависимостью «доза-реакция» и данными, отражающими потенциальное воздействие, для оценки риска заражения.

Данные о воздействии воды обычно собираются с помощью вопросников, но их также можно определить на основе фактических измерений потребляемой воды или оценить на основе ранее опубликованных данных. Респондентам предлагается сообщить частоту, время и место воздействия, подробную информацию о количестве проглоченной воды и погружении головы в воду, а также основные демографические характеристики, такие как возраст, пол, социально-экономический статус и состав семьи. После того, как собрано достаточно данных и определено, что они репрезентативны для генеральной совокупности, они обычно согласуются с распределениями, и эти параметры распределения затем используются в уравнениях оценки риска. Данные мониторинга, отражающие появление патогенов, прямое измерение концентрации патогенов или оценки, полученные с помощью концентраций патогенов на основе концентраций индикаторных бактерий, также соответствуют распределениям. Доза рассчитывается путем умножения концентрации возбудителей в единице объема на объем. Доза-реакция также может быть сопоставлена ​​с распределением.

Управление рисками и последствия для политики

Чем больше предположений будет 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, на которые влияют человеческие и нечеловеческие источники фекального загрязнения, QMRA определила, что риск желудочно-кишечных заболеваний от воздействия вод, на которые воздействует крупный рогатый скот, аналогичен рискам, связанным с человеческими отходами, и эти были выше, чем в водах, загрязненных фекалиями чаек, кур или свиней. Такие исследования могут быть полезны для менеджеров по рискам для определения того, как лучше всего сосредоточить свои ограниченные ресурсы, однако менеджеры по рискам должны осознавать ограничения данных, используемых в этих расчетах. Например, в этом исследовании использовались данные, описывающие концентрацию сальмонеллы в куриных фекалиях, опубликованные в 1969 году. Методы количественного определения бактерий, изменения в практике содержания животных и санитарии, а также многие другие факторы, возможно, изменили распространенность сальмонеллы с того времени. Кроме того, такой подход часто игнорирует сложную судьбу и процессы транспортировки, которые определяют концентрацию бактерий от источника до места воздействия.

Решение проблем с качеством воды, вызванных бактериями

В США отдельным штатам разрешено разрабатывать свои 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 поручено контролировать свои поверхностные воды, чтобы определить, где происходят ухудшения качества и водораздел. планы под названием «Общие максимальные суточные нагрузки » (TMDL) разработаны для направления усилий по улучшению качества воды, включая изменения в допустимой бактериальной нагрузке по точечным источникам и рекомендации по изменениям в практике, которые уменьшают вклад неточечных источников в бактериальную нагрузку. Кроме того, во многих штатах существуют программы мониторинга пляжей, чтобы предупреждать пловцов при обнаружении высокого уровня индикаторных бактерий.