К количественной оценке микробного риска, связанного с экспозицией кишечных вирусов в питьевой воде
Автор: Байдакова Е.В., Унгуряну Т.Н., Михайлова Р.И.
Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk
Рубрика: Анализ риска здоровью в эпидемиологии
Статья в выпуске: 2 (26), 2019 года.
Бесплатный доступ
Выполнена оценка микробиологического риска возникновения острых кишечных инфекций (ОКИ) вирусной этиологии, связанного с потреблением питьевой воды водопроводной сети совокупным населением городов Архангельской области за 2006-2017 гг. При проведении исследования использована методика количественной оценки микробиологического риска (Quantitative Microbial Risk Assessment - QMRA). Показано, что в структуре кишечных инфекций преобладают ОКИ вирусной этиологии, среди которых наиболее распространенными являются ротавирусная (86,9 %), норовирусная (7,7 %) и энтеровирусная (3,7 %) инфекции. Сравнительный анализ пространственного распределения и многолетней динамики заболеваемости ОКИ с возможным водным фактором передачи возбудителя указывает на высокий уровень частоты развития ротавирусной и норовирусной инфекции в городах Архангельске, Новодвинске, Коряжме и Котласе. В Коряжме и Архангельске скорость развития заболеваемости ротавирусной инфекцией среди населения превышала скорость эпидемиологического процесса на территории сравнения в 1,5-1,6 раза...
Питьевая вода, водоснабжение, острые кишечные инфекции, вирусные инфекции, содержание колифагов, оценка риска, микробиологический риск
Короткий адрес: https://sciup.org/142220672
IDR: 142220672 | DOI: 10.21668/health.risk/2019.2.12
Текст научной статьи К количественной оценке микробного риска, связанного с экспозицией кишечных вирусов в питьевой воде
Обеспечение безопасного питьевого водоснабжения является эффективной мерой в области профилактики возникновения заболеваний, связанных с потреблением питьевой воды. Состояние централизованного питьевого водоснабжения населения Российской Федерации требует срочных мер по его улучшению [1]. Даже при проведении качественной водоочистки существует вероятность попадания возбудителей инфекционных заболеваний в водопроводную сеть, к примеру, в результате изнашивания системы распределения воды и/или аварий на водопроводах [2, 3]. Случаи острых ки- шечных инфекций с вероятным водным фактором передачи возбудителя остаются недостаточно изученными в результате нечувствительности эпидемиологического анализа и отсутствия исследований, позволяющих установить прямую зависимость между загрязнением питьевой воды и ростом спорадической заболеваемости [4, 5].
В основе отечественных методов оценки микробного риска учитываются факторы, имеющие непосредственное отношение к водному пути передачи возбудителя, такие как условия хозяйственнобытового водоснабжения и коммунального благоус-
Унгуряну Татьяна Николаевна – доктор медицинских наук, главный специалист-эксперт отдела организации и обеспечения деятельности, профессор кафедры гигиены и медицинской экологии (e-mail: ; тел.: 8 (182) 20-06-56; ORCID: .
Михайлова Руфина Иринарховна – доктор медицинских наук, заведующий лабораторией гигиены питьевого водоснабжения и биофизики воды (тел.: 8 (499) 246-76-74, e-mail: ; ORCID: .
тройства населенных мест, качество воды в рекреационных водоемах и водоисточниках1 . Оценка микробного риска как комплексный научный подход, основанный на количественной оценке уровня воздействия факторов, связанных с микробным воздействием, широко применяется в зарубежных исследованиях [6, 7]. Зарубежные методики имеют некоторые отличия от российских. В частности, количественная оценка микробиологического риска (Quantitative Microbial Risk Assessment – QMRA) представляет собой математическую систему оценки инфекционного риска опасных для человека патогенов. Методика может помочь в выявлении и регулировании рисков, связанных с передаваемыми через воду микроорганизмами, в особенности в случае спорадических заболеваний. Она может быть использована как при анализе отдельных факторов риска, например, качества воды зон рекреации или питьевой воды централизованного водоснабжения, так и в комплексных исследованиях [8].
Вирусологический мониторинг объектов окружающей среды предусматривает проведение исследований питьевой воды водопроводной сети на наличие вирусов методом вирусологической ловушки с последующей постановкой полимеразной цепной реакции (ПЦР). Однако данный метод не позволяет количественно оценить содержание возбудителя в воде, указывая лишь на наличие ДНК или РНК вируса в пробе без разграничения присутствия живого или инактивированного вируса в воде [9]. Поэтому такой метод обнаружения вирусов в питьевой воде не может быть использован для идентификации опасности, в связи с чем данные об индикаторах микробного загрязнения являются единственными доступными микробиологическими данными для характеристики качества воды.
Несмотря на неопределенность в оценке полученных концентраций патогена по результатам количества обнаруженных микробиологических показателей качества питьевой воды, в литературе есть несколько примеров использования соотношений патогена к показателям качества для цели количественного определения концентраций патогена в окружающей среде для QMRA. Если принять во внимание эпидемиологию (закономерности в распространенности и микробных источниках) и контекст окружающей среды (относительная стойкость и перенос), то данные фекальных индикаторов имеют большое значение для QMRA. Например, полезность модели QMRA была использована в исследованиях с ограниченными данными и получен вывод, что количество колифагов можно считать равнозначным количественному содержанию вируса в воде
(в частности ротавируса)2 [7, 14]. Результаты исследований широкого спектра бактериальных и вирусных показателей фекальной контаминации воды указывают на то, что содержание колифагов в воде сильнее связано с возникновением заболеваний желудочно-кишечного тракта у человека, чем обнаружение других индикаторов микробиологического загрязнения воды, таких как колиформные бактерии [15]. Показано, что попадание неочищенных фекальных стоков в городской водопровод и зоны купания соответствует подъему заболеваемости норо-вирусной инфекцией, установленному при параллельном эпидемиологическом исследовании [16].
В Архангельской области 82 % населения городов Архангельска, Новодвинска, Котласа, Коряжмы и Северодвинска обеспечено централизованным питьевым водоснабжением из поверхностных водоисточников. Водоисточники городов Архангельска, Новодвинска, Котласа, Коряжмы относятся к водному бассейну реки Северная Двина. В качестве источника централизованного питьевого водоснабжения города Северодвинска используется река Солза, которая не входит в состав бассейна реки Северная Двина. В 2017 г. только 35 % городского населения Архангельской области было обеспечено доброкачественной питьевой водой [17], что обусловливает актуальность изучения микробного риска, ассоциированного с потреблением населением питьевой воды надлежащего качества.
Целью исследования была оценка микробиологического риска развития кишечных инфекций, связанного с потреблением воды водопроводной сети, для населения в городах Архангельской области.
Материалы и методы. В соответствии с методикой QMRA исследование включало четыре этапа: 1) идентификацию опасности – выбор конкретного микробного агента и связанных с ним последствий; 2) оценку экспозиции в зависимости от типа, величины, продолжительности воздействия микробного агента на человека; 3) оценку зависимости «доза – ответ» и 4) характеристику риска [18].
На этапе идентификации опасности при выборе территорий исследования, групп инфекционных болезней и индикативных показателей факторов внешней среды выполнено описательное эпидемиологическое исследование спорадической заболеваемости острыми кишечными инфекциями (ОКИ) совокупного населения по трем нозологическим группам: ОКИ ротавирусной, норовирусной и энте-ровирусной этиологии по данным статистической отчетной формы № 2 «Сведения об инфекционных и паразитарных заболеваниях» за 2009–2017 гг. в пяти городах Архангельской области (Архан- гельск, Северодвинск, Новодвинск, Котлас, Коряжма). Пространственный анализ заболеваемости проводился с помощью среднего многолетнего значения заболеваемости, в качестве контрольного уровня принималась среднемноголетняя частота заболеваемости совокупного населения по г. Северодвинску. Северодвинск выбран в качестве территории сравнения в связи с тем, что источником централизованного питьевого водоснабжения населения города является река Солза. Солза не входит в состав бассейна реки Северная Двина, в отличие от остальных городов, где Северная Двина является основным или единственным источником питьевого водоснабжения. Сравнение средних показателей заболеваемости по территориям с контрольным уровнем проводили по доле разницы показателей и отношению показателей. Различия считались эпидемиологически выраженными, если доля разницы показателей превышала 20 %, а отношение показателей было выше 1,25.
На этапе идентификации опасности исследовали количественное содержание возбудителя в питьевой воде водопроводной сети по данным социальногигиенического мониторинга за 2006–2017 гг. Для решения этой задачи была выполнена санитарногигиеническая оценка качества воды водопроводной сети систем централизованного питьевого водоснабжения в пяти городах Архангельской области: Архангельске, Северодвинске, Новодвинске, Котласе и Коряжме по содержанию колифагов. Для описания содержания исследуемого показателя в воде использованы удельный вес нестандартных проб, медиана ( Ме ), 75-й и 95-й процентили ( Р 75 и Р 95 ).
Расчет дозы микробного агента осуществляли по формуле (1):
dose = CV , (1)
где C – концентрация возбудителя в одном литре потребляемой воды, V – объем водопотребления.
Для расчета дозы использовали содержание колифагов на уровне Р 95. Колифаги более устойчивы к окружающей среде, чем их бактерии-хозяева, что обусловливает способность колифагов служить индикатором давнего фекального загрязнения. Исследователями доказана зависимость между содержанием колифагов в воде и опасных для человека энтеровирусов [19, 20]. Для расчета дозы в настоящем исследовании использовали значение водопотребле-ния, равное 0,743 литра в сутки3, которое отражает потребление только водопроводной воды и не включает бутилированную воду, а также покупные продукты и напитки, содержащие воду.
Оценку экспозиции проводили с использованием результатов опубликованных исследований4 [9, 10]. Для оценки вероятности заражения ротавирусной и энтеровирусной инфекциями использовали экспоненциальную модель зависимости «доза – ответ», рассчитанную по формуле (2):
р вероятность заражения
= 1 – exp (– dose k ),
где значение коэффициента k для энтеровируса составило 0,00374 [22], для ротавируса – 0,173 [9].
Для оценки вероятности заражения норовирус-ной инфекцией использовали уравнение вырожденной гипергеометрической функции, где α и β – параметры бета-распределения Пуассона (3):
р вероятность заражения
1 – 1 F 1 (α, α + β – dose ),
где значения α и β для норовируса составляют 0,04 и 0,055 соответственно [10]. Для вычисления значений уравнения использовали программу по расчету математических функций Wolfram Mathematic online.
Расчет вероятности возникновения заболевания проводили по формуле (4):
Р = 1 – (1 – Р
вероятность заражения
) n ,
где n – количество нестандартных проб по содержанию колифагов, зарегистрированных за весь период исследования.
Полученные результаты уровней риска оценивались по трем диапазонам: P менее 0,047 указывает на низкий (приемлемый) риск, P от 0,057 до 0,6095 – средний риск, P от 0,619 до 1 – высокий риск возникновения кишечной инфекции среди населения [11].
Результаты и их обсуждение. На территории городов Архангельской области с 2009 по 2017 г. среди совокупного населения зарегистрирован 48 931 случай ОКИ различной этиологии. Среди всех зарегистрированных в городах случаев ОКИ на долю ОКИ неустановленной этиологии приходилось 65,6 %, этиологическую расшифровку получили 34,4 %. Соотношение случаев ОКИ вирусной и бактериальной этиологии составляло 3:1.
В структуре ОКИ вирусной этиологии первое место занимает ротавирусная инфекция (86,9 %), второе место отводится норовирусной инфекции (7,7 %), на третьем месте ‒ энтеровирусная инфекция (3,7 %). Наименьший удельный вес в структуре вирусных кишечных инфекций имеет гепатит А (1,7 %).
Анализ заболеваемости ОКИ среди населения городов показал, что максимально высокий уровень заболеваемости ротавирусной инфекцией установлен в Котласе (299,4 0/0000) и Новодвинске (288,8 0/0000) по сравнению с другими территориями (табл. 1).
-
3 Exposure Factors Handbook – Update (2009, External Review Draft) [Электронный ресурс] // United States Environmental Protection Agency, Washington (DC), EPA/600/R-09/052A, 2009. – URL: https://cfpub.epa.gov/ (дата обращения: 11.10.2018).
-
4 О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2017 году: Государственный доклад. – М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2018. – C. 105.
Таблица 1
Пространственная и временная характеристика заболеваемости ОКИ вирусной этиологии среди совокупного населения городов Архангельской области
В Архангельске и Новодвинске отмечалась наибольшая частота заболеваемости норовирусной и энтеровирус-ной этиологии – 19,4 и 16,8 0/ 0000 и 11,0 и 12,4 0/ 0000 соответственно.
Наиболее высокая скорость развития ротавирусной инфекции установлена в Новодвинске и Котласе, где коэффициенты опережения по сравнению с Северодвинском составили 2,6–2,9 раза. В Коряжме и Архангельске скорость развития заболеваемости ротавирусной инфекцией среди населения превышала скорость эпидемиологического процесса на территории Северодвинска в 1,5–1,6 раза. В Новодвинске и Архангельске скорость развития заболеваемости населения энтеровирусной инфекцией превышала аналогичный показатель в Северодвинске в 10,3 и 9,1 раза соответственно. Отсутствие регистрации случаев энтеровирусной инфекции в Котласе и Коряжме в условиях тенденции к росту данной нозологии в целом по стране свидетельствует об отсутствии эпидемиологической настороженности в отношении энтеровирусной инфекции в этих городах. Так, на территории Российской Федерации в многолетней динамике, в том числе и за последние годы (2015–2017 гг.), отмечался рост заболеваемости энтеровирусной инфекцией в 1,5 раза, а в сравнении со среднемноголетним уровнем предыдущего 10-летнего периода – в 3,3 раза [12].
Таким образом, эпидемиологический анализ спорадической заболеваемости ОКИ позволил выявить наиболее распространенные виды возбудителей инфекции на этапе идентификации опасности. При сравнительном анализе пространственного распределения и многолетней динамики заболеваемости ОКИ с возможным водным фактором передачи возбудителя выявлен высокий уровень частоты развития ротавирусной инфекции и норовирусной инфекции в Архангельске, Новодвинске, Коряжме и Котласе.
Удельный вес нестандартных проб по содержанию колифагов в питьевой воде Коряжмы и Архангельска после водоподготовки составлял 6,2 и 7,0 % соответственно (табл. 2). На уровне медиан-
ных значений и 75-го процентиля микробиологические показатели в питьевой воде не обнаружены. В водопроводной сети Архангельска и Коряжмы удельный вес проб по содержанию колифагов выше гигиенических нормативов составлял 6,2 и 7,0 % соответственно. Установлено превышение гигиенического норматива по содержанию колифагов на уровне Р 95 в Архангельске и Коряжме в 1,4 и 2,2 раза соответственно.
Количественный риск возникновения ОКИ вирусной этиологии в настоящем исследовании был оценен только для Архангельска и Коряжмы в связи с тем, что за весь период наблюдения превышение показателей колифагов было зарегистрировано в водопроводной сети этих двух городов.
Количественная оценка микробиологического риска возникновения ОКИ, связанного с централизованным питьевым водоснабжением, указывает на высокую вероятность возникновения ротавирусной, норовирусной и энтеровирусной инфекций в Архангельске ( р = 0,97–0,99) и ротавирусной инфекции в Коряжме ( р = 0,95) (табл. 3). Средняя вероятность возникновения норовирусной и энтеровирусной инфекций при потреблении питьевой воды из городского водопровода отмечена в Коряжме ( р = 0,58 и р = 0,43 соответственно).
Таблица 2
Качество питьевой воды централизованного питьевого водоснабжения за 2006–2017 гг. по содержанию колифагов в сети
Территория |
Количество проб |
Ме |
Р 75 |
Р 95 |
X max |
||
всего |
выше ГН* |
% ** |
|||||
Архангельск |
1382 |
86 |
6,2 |
0 |
0 |
1,4 |
16,1 |
Северодвинск |
337 |
0 |
0,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Котлас |
153 |
0 |
0,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Коряжма |
129 |
9 |
7,0 |
0 |
0 |
2,2 |
16,1 |
Новодвинск |
155 |
0 |
0,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Пр имеч ан ие : * – ГН – гигиенический норматив; ** – удельный вес проб, превышающих гигиенический норматив.
Показатель |
Территория (город) |
||||
Архангельскп Новодвинск |
Котлас |
Коряжма Северодвинск |
|||
Ротавирусная инфекция |
|||||
Среднее значение заболеваемости, 0/0000 |
161,8 |
288,8 |
299,4 |
159,2 |
104,0 |
Средний коэффициент опережения*, кол-во раз |
1,6 |
2,8 |
2,9 |
1,5 |
‒ |
Норовирусная инфекция |
|||||
Среднее значение заболеваемости, 0/0000 |
19,4 |
16,8 |
2,7 |
9,4 |
13,6 |
Средний коэффициент опережения*, кол-во раз |
1,4 |
1,1 |
0,1 |
0,7 |
‒ |
Энтеровирусная инфекция |
|||||
Среднее значение заболеваемости, 0/0000 |
11,0 |
12,4 |
‒ |
‒ |
1,2 |
Средний коэффициент опережения*, кол-во раз |
9,1 |
10,3 |
‒ |
‒ |
‒ |
П р и м е ч а н и е : * – в сравнении с Северодвинском.
Таблица 3
Микробный риск возникновения кишечных инфекций с вероятным водным фактором передачи возбудителя
Нозология |
Вероятность заражения |
Вероятность возникновения заболевания |
Характеристика вероятности |
Архангельск (dose=10,4) |
|||
Ротавирусная инфекция |
0,16 |
0,99 |
Высокий |
Норовирусная инфекция |
0,09 |
0,99 |
Высокий |
Энтеровирусная инфекция |
0,04 |
0,97 |
Высокий |
Коряжма (dose=16,4) |
|||
Ротавирусная инфекция |
0,24 |
0,95 |
Высокий |
Норовирусная инфекция |
0,11 |
0,58 |
Средний |
Энтеровирусная инфекция |
0,06 |
0,43 |
Средний |
Список литературы К количественной оценке микробного риска, связанного с экспозицией кишечных вирусов в питьевой воде
- Рахманин Ю.А., Михайлова Р.И., Каменецкая Д.Б. Качество питьевого водоснабжения в Российской Федерации//Контроль качества продукции. -2015. -№ 9. -С. 7-13.
- Sensitivity analysis of some critical factors affecting simulated intrusion volumes during a low pressure transient event in a full-scale water distribution system/G. Ebacher, M.C. Besner, B. Clément, M. Prévost//Water Research. -2012. -Vol. 46, № 13. -P. 4017-4030.
- Risk of viral acute gastrointestinal illness from nondisinfected drinking water distribution systems/E. Lambertini, M.A. Borchardt, B.A. Jr. Kieke, S.K. Spencer, F.J. Loge//International Journal of Environmental Science and Technology. -2012. -Vol. 46, № 17. -P. 9299-9307.
- Ford T.E. Microbiological safety of drinking water: United States and global perspective//Environmental Health Perspectives. -1999. -Vol. 107, № 1. -P 191-206.
- A randomized, blinded, controlled trial investigating the gastrointestinal health effects of drinking water quality/M.E. Hellard, M.I. Sinclair, A.B. Forbes, C.K. Fairley//Environmental Health Perspectives. -2001. -Vol. 109, № 8. -P. 773-778.
- Holeton C., Chambers P.A., Grace L. Wastewater release and its impact on Canadian waters//Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. -2011. -Vol. 68. -P. 1836-1869.
- Petterson S.R. Application of a QMRA Framework to Inform Selection of Drinking Water Interventions in the Developing Context//Risk Analysis: An Official Publication Of The Society For Risk Analysis. -2016. -Vol. 36, № 2. -P. 203-214.
- Risk-based cost-benefit analysis for evaluating microbial risk mitigation in a drinking water system/V. Bergion, A. Lindhe, E. Sokolova, L. Rosén//Water Research. -2018. -Vol. 132. -P. 111-123.
- Показательное значение некоторых индикаторов и маркеров в отношении вирусного загрязнения воды/А.Е. Недачин, Р.А. Дмитриева, Т.В. Доскина, В.А. Долгин//Гигиена и санитария. -2015. -Т. 94, № 6. -С. 54-58.
- Petterson S.R., Stenström T.A., Ottoson J. A theoretical approach to using faecal indicator data to model norovirus concentration in surface water for QMRA: Glomma River, Norway//Water Research. -2016. -Vol. 91. -P. 31-37.
- Howard G., Pedley S., Tibatemwa S. Quantitative microbial risk assessment to estimate health risks attributable to water supply: can the technique be applied in developing countries with limited data?//Journal of Water and Health. -2015. -Vol. 4, № 1. -P. 49-65.
- Epidemiologic evaluation of multiple alternate microbial water quality monitoring indicators at three California beaches/J.F. Griffith, S.B. Weisberg, B.F. Arnold, Y. Cao, K.C. Schiff, J.M. Jr. Colford//Water Research. -2016. -Vol. 94. -P. 371-381.
- Incidence of gastrointestinal illness following wet weather recreational exposures: Harmonization of quantitative microbial risk assessment with an epidemiologic investigation of surfers/J.A. Soller, M. Schoen, J.A. Steele, J.F. Griffith, K.C. Schiff//Water Research. -2017. -Vol. 121. -P. 280-289.
- Quantitative microbial risk assessment: application for water safety management. WHO Library Cataloguing-in-Publication Data //World Health Organization. -2016. -Р. 12-13. -URL: https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/246195/9789241565370-eng.pdf (дата обращения: 25.12.2018).
- Coliphages as an indicator of faecal pollution in water. Their survival and productive infectivity in natural aquatic environment/J.J. Borrego, R. Cornax, M.A. Morinigo, E. Martinez-Manzanares, P. Romero//Water Research. -1991. -Vol. 24. -P. 111-116.
- Stetler R.E. Coliphages as indicators of enteroviruses//Applied and Environmental Microbiology. -1984. -Vol. 48. -P. 668-670.
- Stalkup J.R., Chilukuri S. Enterovirus infections: a review of clinical presentation, diagnosis, and treatment//Dermatologic clinics. -2006. -Vol. 20, № 2. -P. 217-223.
- Human rotavirus studies in volunteers: determination of infectious dose and serological response to infection/R.L. Ward, D.I. Bernstein, E.C. Young, J.R. Sherwood, D.R. Knowlton, G.M. Schiff//The Journal of Infectious Diseases. -1986. -Vol. 154, № 5. -P. 871-880.
- Norwalk virus: how infectious is it?/P.F. Teunis, C.L. Moe, P. Liu, S.E. Miller, L. Lindesmith, R.S. Baric //Journal of Medical Virology. -2008. -Vol. 80, № 8. -P. 1468-1476.
- Мельцер А.В., Киселев А.В., Ерастова Н.В. Гигиеническое обоснование оценки качества питьевой воды по показателям эпидемиологической безопасности с использованием методологии оценки риска здоровью населения//Профилактическая и клиническая медицина. -2015. -Т. 56, № 3. -С. 12-17.