Оценка потенциального микробного риска распространения водообусловленных инфекционных заболеваний на участке реки с интенсивным водопользованием
Автор: Марченко Б.И., Журавлев П.В., Дерябкина Л.А., Нестерова О.А.
Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk
Рубрика: Оценка риска в эпидемиологии
Статья в выпуске: 4 (48), 2024 года.
Бесплатный доступ
Повышение эффективности мероприятий по предупреждению распространения кишечных инфекций, передаваемых водным путем, определяет необходимость совершенствования методов и технологий санитарно-микробиологического мониторинга, представляющего собой одно из направлений системы социально-гигиенического мониторинга. Целью работы является оценка в динамике потенциального микробного риска распространения водообусловленных острых кишечных инфекций на участке Нижнего Дона с интенсивным водопользованием. Объектом исследования были микробные сообщества воды реки Дон в пределах города Азова Ростовской области за период 2005-2020 гг. В работе использованы результаты бактериологических исследований 540 проб речной воды, а также 1800 проб воды на выходе из очистных сооружений и в распределительной сети городского водопровода с определением санитарно-показательных микроорганизмов (общих, термотолерантных и глюкозоположительных колиформных бактерий); потенциально патогенных микроорганизмов (клебсиелл и синегнойных палочек) и патогенных энтеробактерий (сальмонелл). Выполнена комплексная оценка потенциального микробного риска распространения водообусловленных инфекционных заболеваний, включая ретроспективный анализ его тенденций и сезонных особенностей. Проведен сравнительный анализ точности среднесрочного экстраполяционного прогнозирования микробного риска с применением регрессионной и нейросетевой моделей. Для речной воды Нижнего Дона в 2005-2020 гг. величина рассчитанного по двум санитарно-гигиеническим факторам («Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» и «Рекреационное водопользование») комплексного показателя (0,612) на основе пятиуровневого классификатора позволила диагностировать очень высокий уровень потенциального микробного риска распространения водообусловленных инфекционных нозологических форм при свойственном ему летне-осеннем сезонном подъеме. За счет проведения оптимизационных мероприятий сформировалась устойчивая благоприятная тенденция по фактору «Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение». Значение трехфакторного комплексного показателя (0,525) также позволило установить высокий уровень потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций. Выявлена статистически достоверная (p function show_abstract() { $('#abstract1').hide(); $('#abstract2').show(); $('#abstract_expand').hide(); }
Вода открытых водотоков, санитарно-микробиологические показатели, потенциально патогенные микроорганизмы, сальмонеллы, потенциальный микробный риск, оценка эпидемического риска, водообусловленные кишечные инфекции, многослойный персептрон прямого распространения сигнала, среднесрочное прогнозирование, социально-гигиенический мониторинг
Короткий адрес: https://sciup.org/142243803
IDR: 142243803 | DOI: 10.21668/health.risk/2024.4.08
Текст научной статьи Оценка потенциального микробного риска распространения водообусловленных инфекционных заболеваний на участке реки с интенсивным водопользованием
Проблема обеспечения населения питьевой водой гарантированного качества определяет как одну из приоритетных задач оценку риска здоровью, связанного с загрязнением компонентов окружающей среды, в том числе водных объектов [1–3]. Тенденции к увеличению водопотребления и объемов сточных вод приводят к увеличению уровней микробного загрязнения поверхностных водотоков и водоемов, используемых в качестве источников водоснабжения, а также в целях рекреационного водопользования. Значительная микробная контаминация воды поверхностных источников водоснабжения, особенно резистентными к антибиотикам бактериями, способна привести к деградации качества водопроводной воды с формированием повышенного риска распространения водообусловленных инфекционных заболеваний [4–9]. Это определяет приоритетное значение в структуре комплекса профилактических мероприятий совершенствования методов и технологий микробиологического контроля качества питьевой воды, воды источников водоснабжения и зон рекреационного водопользования [10–17]. Санитарно-микробиологический мониторинг водной среды является неотъемлемой составной частью системы эпидемиологического надзора с выходом на оценку риска здоровью населения, включая потенциальный риск заболеваемости населения водообусловленными кишечными инфекциями [18–23]. Как одно из перспективных направлений реализации «Концепции развития системы социально-гигиенического мониторинга в Российской Федерации на период до 2030 года»1 может рассматриваться широкая интеграция ряда научных и организационно-методических принципов эпидемиологического надзора в национальную систему социально-гигиенического мониторинга [6].
Необходимо особо отметить интенсивно развиваемую методологию оценки риска здоровью населения под воздействием разнородных факторов окружающей среды для реализации комплекса задач по обеспечению санитарно-эпидемиологического благополучия населения Российской Федерации [20, 22]. Так, разработаны и применяются различные методы количественной оценки микробного риска, которые представляют собой информативные инструменты, основанные на определении индикаторов и параметров фекального загрязнения водной среды, свидетельствующего о возможном присутствии в ней возбудителей кишечных инфекций [19, 24–28]. Теоретической основой процедуры оценки микробного риска послужили построенные математические модели причинно-следственных связей между частотой острых кишечных инфекций (ОКИ) и уровнями бактериального загрязнения воды [11, 12].
Цель исследования – оценка в динамике потенциального микробного риска распространения водообусловленных острых кишечных инфекций на участке Нижнего Дона с интенсивным водопользованием. Задачи исследования: определение наиболее информативных маркерных санитарно-бактериологических показателей речной воды с выходом на оценку потенциального микробного риска распространения водообусловленных острых кишечных инфекций (ОКИ); ретроспективный анализ многолетней и годовой динамики потенциального микробного риска с определением его тенденций и сезонных особенностей; сравнительная оценка точности среднесрочного прогнозирования потенциального микробного риска на основе применения регрессионной и нейросетевой моделей.
Материалы и методы. В работе использованы результаты санитарно-бактериологических исследований 540 проб воды реки Дон, 1800 проб воды на выходе из очистных сооружений и в распределительной сети системы централизованного хозяйственнопитьевого водоснабжения, а также сведения о заболеваемости ОКИ и сальмонеллезами в городе Азове Ростовской области в 2005–2020 гг. Отбор проб речной воды производится в трех точках мониторинга по ходу течения: в зоне водозабора для системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения Азова, в зоне рекреационного водопользования (городской пляж) и в 500 м ниже по течению от места выпуска стоков городской канализации (рис. 1).
Исследования речной и питьевой воды проведены в лаборатории санитарной микробиологии водных объектов и микробной экологии человека ФБУН «Ростовский научно-исследовательский институт микробиологии и паразитологии» на наличие санитарно-показательных микроорганизмов – общих колиформных бактерий (ОКБ), термотолерантных колиформных бактерий (ТКБ); потенциально патогенных микроорганизмов – клебсиелл и синегнойных палочек; патогенных энтеробактерий – сальмонелл, а также глюкозоположительных колиформных бактерий (ГКБ) согласно актуальным санитарным правилам и нормам2, методическим указаниям3. Применялась
Петровский

Городгкой пляж
ТОЧКА МОНИТОРИНГА
В ЗОНЕ ВОДОЗАБОРА
Рис. 1. Точки санитарно-бактериологического мониторинга воды Нижнего Дона в пределах города Азова Ростовской области

ТОЧКА МОНИТОРИНГА ^В ЗОНЕ BI
СТОЧНЫХ
ТОЧКА МОНИТОРИНГА В ЗОНЕ РЕКРЕАЦИИ
жидкая среда накопления для выделения бактерий рода Salmonella из водных объектов (среда РНС), обеспечивающая накопление сальмонелл разных серологических групп, подавляющая рост сопутствующей микрофлоры и позволяющая получать объективную информацию о степени бактериологического загрязнения водных объектов [29]. Изучение содержания в речной воде ГКБ обусловлено тем, что данный показатель объединяет в себе широкий круг как патогенных (сальмонеллы и шигеллы), так и потенциально патогенных энтеробактерий.
Продолжены исследования на основе метода оценки микробного риска с применением математических моделей расчета интегральных и комплексных показателей степени опасности возникновения кишечных инфекций в зависимости от санитарногигиенических условий водопользования4.
Пофакторные интегральные показатели потенциального микробного риска (Ri) определялись в отношении трех санитарно-гигиенических факторов («Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения», «Рекреационное водопользование» и «Централизованное хозяйственнопитьевое водоснабжение»), по которым было учтено соответственно 5, 4 и 7 первичных показателей (Xi). Так, в структуру фактора «Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение» в качестве первичных показателей входили доли проб питьевой воды с обнаружением ОКБ перед поступлением в распределительную сеть и в распределительной сети; средний индекс ОКБ в распределительной сети; доля проб воды из распределительной сети с числом ОКБ 2 КОЕ/100 см3 и более; среднее число микроорганизмов в 1 см3 воды в распределительной сети; обнаружение патогенных бактерий и доля проб воды с обнаружением потенциально патогенных бактерий. С применением пофакторных весовых коэффициентов (Gi) на основе интегральных показателей вычислялись два варианта комплексных показателей потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций в зависимости от санитарно-гигиенических условий – как двухфакторные (Rab), учитывающие санитарнобактериологические показатели речной воды («Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» и «Рекреационное водопользование»), так и трехфакторные, включающие также фактор «Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение» (Rk). Степень эпидемической опасности возникновения передаваемых водным путем бактериальных кишечных инфекций (уровень микробного риска) определялась на основе пофактор-ных интегральных показателей (Ri) и комплексных показателей микробного риска (Rab и Rk) с применением пятиуровневого классификатора. Очень низкому уровню микробного риска соответствуют вычисленные значения интегральных и комплексных показателей микробного риска 0 ≤ R < 0,15; низкому (приемлемому) – 0,15 ≤ R < 0,20; среднему – 0,20 ≤ R < 0,40; высокому – 0,40 ≤ R < 0,60 и очень высокому – 0,60 ≤ R < = 1,00.
Расчеты коэффициентов корреляции между уровнем потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций и частотой заболеваний населения ОКИ, а также сальмонеллезом за 2005–2020 гг. выполнены на основе динамических рядов соответствующих помесячных показателей, включающих по 192 уровня ряда.
При формировании баз данных и статистической обработке материалов применены информационно-аналитический программный комплекс Microbiology of Surface Waters version 1.65 и программа для расчета статистик динамических рядов и экстраполяционного прогнозирования Turbo Dinamics version 2.51 собственной разработки, а также профессиональный пакет статистических про- грамм IBM SPSS Statistics version 20.0. Вариационные и динамические ряды данных проверялись на наличие аномальных («выскакивающих») величин на основе критерия Шовене. Модели многолетней динамики строились подбором аппроксимирующих функций с оценкой статистической значимости (p < 0,05). При изучении сезонных особенностей потенциального микробного риска производился расчет верхних пределов его круглогодичных уровней и типовых кривых годовой динамики с дифференциацией круглогодичной и сезонной компонент5, помесячных индексов сезонных колебаний, коэффициента сезонности, характеризующего долю периодов сезонного подъема в годовой сумме, а также индекса сезонности по Уоррингеру. Сравнительная оценка точности среднесрочных прогнозов потенциального микробного риска на 2019 и 2020 гг., рассчитанных на основе нейросетевых и регрессионных моделей, выполнена на основе динамических рядов среднегодовых показателей продолжительностью 14 лет (2005–2018 гг.). При прогнозировании применены двуслойные искусственные нейронные сети (ИНС) двух типов – каскадная сеть с прямой передачей сигнала и с обратным распространением ошибки (Cascade-Forward backprop) и сеть с прямой передачей сигнала и с обратным распространением ошибки (Feed-Forward backprop) при числе нейронов в скрытых слоях 23 и 30 соответственно. ИНС сформированы в среде пакета прикладных программ Matlab R2021a с набором инструментов для синтеза и анализа нейронных сетей Neural Network Toolbox; обучены на основе алгоритма Левенберга – Марквардта (Levenberg – Marquardt method), предназначенного для оптими-зации параметров нелинейных регрессионных мо-делей при решении задач о наименьших квадратах [30, 31].
Результаты и их обсуждение. Настоящая работа продолжает исследования по оценке эпидемиологической значимости показателей бактериального загрязнения воды Нижнего Дона [32]. Результаты исследований по пятилетним периодам свидетельствуют о существенном ухудшении показателей микробной контаминации воды по ходу течения реки в пределах акватории Азова. Так, среднее число ОКБ для зоны рекреации превышает показатель зоны водозабора в 2,36–6,04 раза, а для зоны выпуска сточных вод – в 6,50–7,06 раза. Максимальное зарегистрированное число ОКБ также относится к зоне выпуска сточных вод – 2,4·108 КОЕ/100 см3. Соотношение между зонами водозабора, рекреации и выпуска сточных вод по числу ТКБ составляет 1,00: 1,57–5,51: 2,64–29,64 при максимальном значении показателя 2,4·106 КОЕ/100 см3. Среднее число ГКБ для зоны рекреации выше, чем для зоны водозабора в 1,43–5,95 раза, для зоны выпуска сточных вод – в 1,62–5,97 раза. Клебсиеллы и синегнойные палочки обнаружены соответственно в 100,00 и 99,81 % исследованных проб при их наибольшем среднем содержании 1,3·107 и 2,4·105 КОЕ/100 см3 (табл. 1).
Таблица 1
Санитарно-бактериологические показатели воды Нижнего Дона в пределах города Азова Ростовской области по пятилетиям за период 2006–2020 гг.
Точка мониторинга |
Наименование показателя |
Период наблюдения, гг. |
||
2006–2010 \ |
2011–2015 |
2016–2020 |
||
Общие колиформные бактерии (ОКБ, колониеобразующие единицы (КОЕ) в 100 см3 |
) |
|||
Зона водозабора |
Среднее число |
7767,76 |
8131,32 |
9560,00 |
Максимальное число |
700 000 |
700 000 |
240 000 |
|
Доля проб (%) с числом более 1000 |
85,51 |
81,67 |
97,73 |
|
Зона рекреации |
Среднее число |
18 326,10 |
49 124,21 |
24 322,50 |
Максимальное число |
7 000 000 |
7 000 000 |
240 000 |
|
Доля проб (%) с числом более 500 |
98,55 |
96,67 |
100,00 |
|
Зона |
Среднее число |
50 522,58 |
54 979,26 |
67 520,93 |
выпуска |
Максимальное число |
240 000 000 |
2 400 000 |
7 000 000 |
сточных вод |
Доля проб (%) с числом более 1000 |
97,10 |
96,67 |
100,00 |
Термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ, колониеобразующие единицы (КОЕ) в 100 см3) |
||||
Зона водозабора |
Среднее число |
812,29 |
1265,51 |
2190,26 |
Максимальное число |
24 000 |
24 000 |
24 000 |
|
Доля проб (%) с числом более 100 |
76,81 |
91,67 |
100,00 |
|
Зона рекреации |
Среднее число |
1811,78 |
6975,55 |
3447,11 |
Максимальное число |
240 000 |
2 400 000 |
70 000 |
|
Доля проб (%) с числом более 100 |
89,86 |
96,67 |
100,00 |
|
Зона |
Среднее число |
2142,91 |
37 515,17 |
10 874,39 |
выпуска |
Максимальное число |
2 400 000 |
2 400 000 |
240 000 |
сточных вод |
Доля проб (%) с числом более 100 |
97,10 |
98,33 |
100,00 |
5 Дегтярев А.А., Ходырев А.П. Методика анализа годовой динамики инфекционной заболеваемости // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. – 1976. – Т. 53, № 2. – С. 97–102.
Окончание табл. 1
Результаты анализа корреляционной матрицы, объединяющей количественные данные о содержании в 540 исследованных пробах речной воды всех шести определяемых микроорганизмов, позволили выявить статистически достоверную при p < 0,01 парную корреляционную связь – прямую сильную между такими санитарно-показательными микроорганизмами, как общие и глюкозоположительные колиформные бактерии (ОКБ и ГКБ), а также между потенциально патогенными клебсиеллами и Pseudomonas aeruginosa ; прямую средней силы – между термотолерантными колиформными бактериями (ТКБ) и клебсиеллами, ТКБ и Pseudomonas aeruginosa , ГКБ и ТКБ, ОКБ и ТКБ. Установлено, что содержание сальмонелл в исследованных пробах речной воды не коррелирует с содержанием ни одного из остальных определяемых микроорганизмов (табл. 3).
В целом за изучаемый шестнадцатилетний период на основе применения пятиуровневого классификатора по интегральным показателям микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекционных заболеваний для воды зоны водозабора городского водопровода установлен его очень высокий уровень, а для воды зоны рекреации – высокий при значениях R a и R b , равных соответственно 0,655 и 0,574. Величина рассчитанного двухфакторного комплексного показателя микробного риска ( R ab ), формируемого полностью за счет санитарно-бактериологических показателей речной воды и объединяющего такие санитарно-гигиенические факторы, как «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» и «Рекреационное водопользование», равна 0,612, что соответствует его очень высокому уровню (табл. 4).
При оценке долевого участия первичных санитарно-микробиологических показателей ( X i ) в структуре санитарно-гигиенического фактора «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» установлено, что приоритетный вклад (46,96 %) приходится на исходный показатель «удельный вес проб с обнаружением потенциально патогенных бактерий» – клебсиелл и синегнойных
Таблица 2
Серовары сальмонелл, изолированных из речной воды в акватории города Азова Ростовской области за период 2005–2020 гг.
Серовары сальмонелл |
Точка мониторинга |
||
зона водозабора |
зона рекреации |
зона выпуска сточных вод |
|
S. typhimurium |
32,99 |
34,16 |
19,43 |
S. heidelberg |
14,43 |
4,97 |
9,71 |
S. derby |
22,68 |
6,21 |
12,57 |
S. essen |
8,25 |
16,77 |
10,29 |
S. reading |
12,37 |
3,11 |
Не обнаружены |
S. bredeney |
9,28 |
7,45 |
8,57 |
S. london |
Не обнаружены |
18,01 |
12,00 |
S. brandenburg |
Не обнаружены |
9,32 |
Не обнаружены |
S. enteritidis |
Не обнаружены |
Не обнаружены |
19,43 |
S. montevideo |
Не обнаружены |
Не обнаружены |
1,14 |
S. chester |
Не обнаружены |
Не обнаружены |
2,86 |
S. mission |
Не обнаружены |
Не обнаружены |
4,00 |
Таблица 3
Корреляционная матрица санитарно-бактериологических показателей воды Нижнего Дона в пределах города Азова Ростовской области за период 2005–2020 гг.
Наименование показателя |
ОКБ |
ТКБ |
ГКБ |
Клебсиеллы |
Синегнойные палочки |
Сальмонеллы |
ОКБ |
1,000 |
0,513 |
0,993 |
0,048 |
0,030 |
0,083 |
ТКБ |
0,513 |
1,000 |
0,547 |
0,611 |
0,475 |
0,038 |
ГКБ |
0,993 |
0,547 |
1,000 |
0,126 |
0,103 |
0,088 |
Клебсиеллы |
0,040 |
0,611 |
0,126 |
1,000 |
0,817 |
0,011 |
Синегнойные палочки |
0,030 |
0,475 |
0,103 |
0,817 |
1,000 |
0,023 |
Сальмонеллы |
0,083 |
0,038 |
0,088 |
0,011 |
0,023 |
1,000 |
Примечание: ОКБ – общие колиформные бактерии; ТКБ – термотолерантные колиформные бактерии; ГКБ – глюкозоположительные колиформные бактерии.
Таблица 4
Потенциальный микробный риск возникновения водообусловленных кишечных инфекций в зависимости от санитарно-бактериологических показателей воды Нижнего Дона в пределах города Азова Ростовской области в 2005–2020 гг.
По результатам анализа годовой динамики определены периоды повышенного потенциального микробного риска возникновения водообусловленных кишечных инфекций. Так, рассчитанные верхние пределы круглогодичного уровня его интегральных показателей составляют для фактора «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» ( R a ) 0,558, для фактора «Рекреационное водопользование» ( R b ) – 0,545, а двухфакторного комплексного показателя ( R ab ) – 0,554 при коэффициентах сезонности соответственно 53,50, 52,06 и 52,87 %. По результатам сопоставления типовых годовых кривых потенциального микробного риска с верхними пределами круглогодичного уровня определено, что его сезонный подъем в зоне водозабора приходится на период с июня по ноябрь, а в зоне рекреационного водопользования, находящейся ниже по течению, – с июля по ноябрь. Результаты анализа годовой динамики санитарнобактериологических показателей свидетельствуют, что сезонная надбавка микробного риска в июне– августе обусловлена увеличением содержания в реч-
ной воде ТКБ, ГКБ, клебсиелл и синегнойных палочек при индексах сезонности по Уоррингеру, определяемых как соотношение показателей в месяцы максимума и минимума, соответственно 6,93, 23,94, 12,43 и 15,01. Второй сезонный подъем микробного риска в октябре–ноябре при индексе сезонности по Уоррингеру 12,26 коррелирует с увеличением содержания в воде сальмонелл (табл. 5, рис. 2).
Данные ретроспективного анализа сформировавшейся в 2005–2020 гг. многолетней динамики с качественной и количественной оценкой тенденций свидетельствуют о стабильно высоких двухфакторных интегральных показателях потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций по санитарно-гигиеническим факторам «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» ( R a ) и «Рекреационное водопользование» ( R b ) при среднемноголетних темпах прироста +0,06 % и 0,00 % соответственно. За счет того, что в Азове в целях повышения качества питьевой воды в централизованной системе хозяйственно-питьевого водоснабжения был реализован комплекс оптимизационных мероприятий, который включал приведение технического оснащения водоочистных сооружений в соответствие с современными требованиями и нормами, оптимизацию технологий водоподготовки и большой объем ремонтных работ на распределительной сети городского водопровода, с 2009 г. сформировались устойчивые тенденции к снижению показателей потенциального микробного риска – как интегрального по фактору «Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение» ( R c ), так и трехфакторного комплексного ( R k ) при среднегодовых темпах убыли соответственно -4,87 и -1,63 % (табл. 6, рис. 3).
Таблица 5
Сезонные особенности потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций в городе Азове за период 2005–2020 гг.
Наименование показателя |
Месяц наблюдения |
||||||||||
янв. февр.1 |
март |
апр. |
май |
июнь |
июль |
авг. |
сент. |
окт. |
ноябр.1 |
дек. |
|
Интегральные показатели поте «Источники централизов Коэффициент сезонности – Верхний п |
нциального микробного риска по оцениваемому фактору анного хозяйственно-питьевого водоснабжения» ( Ra ) 53,50 % / Индекс сезонности по Уоррингеру – 1,279 / редел круглогодичного уровня – 0,558 |
||||||||||
Типовая годовая кривая Ra |
0,514 0,499 |
0,521 |
0,525 |
0,536 |
0,601 |
0,611 |
0,569 |
0,569 |
0,587 |
0,599 |
0,478 |
Индекс сезонных колебаний, % |
0,921 0,894 |
0,933 |
0,941 |
0,960 |
1,076 |
1,095 |
1,020 |
1,019 |
1,052 |
1,073 |
0,856 |
Интегральные показатели потенциального микроб Коэффициент сезонности – Верхний п |
ного риска по оцениваемому фактору «Рекреационное водопользование» ( Rb ) 52,06 % / Индекс сезонности по Уоррингеру – 1,242 / редел круглогодичного уровня – 0,545 |
||||||||||
Типовая годовая кривая Rb |
0,462 0,516 |
0,535 |
0,531 |
0,535 |
0,544 |
0,574 |
0,574 |
0,561 |
0,548 |
0,574 |
0,528 |
Индекс сезонных колебаний, % |
0,848 0,946 |
0,982 |
0,974 |
0,982 |
0,998 |
1,053 |
1,053 |
1,029 |
1,005 |
1,053 |
0,969 |
Комплексный показатель потенциального микро «Источники централизованного хозяйственн Коэффициент сезонности – Верхний п |
бного риска возникновения кишечных инфекций для оцениваемых факторов о-питьевого водоснабжения» и «Рекреационное водопользование» ( Rab ) 52,87 % / Индекс сезонности по Уоррингеру – 1,366 / редел круглогодичного уровня – 0,554 |
||||||||||
Типовая годовая кривая Rab |
0,433п 0,508 |
0,550 |
0,536 |
0,538 |
0,570 |
0,592 |
0,572 |
0,565 |
0,566 |
0,586 |
0,511 |
Индекс сезонных колебаний, % |
0,782 1 0,917 |
0,992 |
0,968 |
0,971 |
1,030 |
1,068 |
1,032 |
1,019 |
1,022 |
1,057 |
0,923 |

"°- Типовая годовая кривая интегральных показателей потенциального микробного риска в зоне водозабора (Ra)
-
— •— Верхний предел круглогодиного уровня интегральных показателей потенциального микробного риска в зоне водозабора (0,558)
-
- о- Типовая годовая кривая интегральных показателей потенциального микробного риска в зоне рекреационного водопользования (Rb)
-
- * Верхний предел круглогодиного уровня интегральных показателей потенциального микробного риска в зоне рекреационного водопользования (0,545)
Рис. 2. Сезонные особенности потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций в городе Азове за период 2005–2020 гг.
Таблица 6
Динамика в 2005–2020 гг. и прогнозы показателей потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций в городе Азове Ростовской области
Год |
Интегральные показатели потенциального микробного риска по отдельным санитарно-гигиеническим факторам |
Комплексный показатель потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций ( Rk ) |
||
Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения ( Ra ) |
Рекреационное водопользование ( Rb ) |
Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение ( Rc ) |
||
2005 |
0,655 |
0,574 |
0,560 |
0,591 |
2006 |
0,655 |
0,574 |
0,497 |
0,566 |
2007 |
0,566 |
0,574 |
0,500 |
0,542 |
2008 |
0,655 |
0,574 |
0,820 |
0,695 |
2009 |
0,655 |
0,574 |
0,560 |
0,591 |
2010 |
0,655 |
0,574 |
0,570 |
0,595 |
2011 |
0,655 |
0,574 |
0,492 |
0,564 |
2012 |
0,652 |
0,574 |
0,355 |
0,508 |
2013 |
0,655 |
0,574 |
0,412 |
0,532 |
2014 |
0,653 |
0,574 |
0,347 |
0,505 |
2015 |
0,655 |
0,574 |
0,292 |
0,484 |
2016 |
0,655 |
0,574 |
0,318 |
0,494 |
2017 |
0,655 |
0,574 |
0,284 |
0,481 |
2018 |
0,655 |
0,574 |
0,282 |
0,480 |
2019 |
0,655 |
0,574 |
0,277 |
0,478 |
2020 |
0,594 |
0,574 |
0,298 |
0,469 |
Среднемноголетние уровни интегральных и комплексного показателей потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций |
||||
0,645 ± 0,014 |
0,574 ± 0,000 |
0,403 ± 0,066 |
0,525 ± 0,026 |
|
2005– 2020 |
Модели многолетней динамики (2005–2020 гг.) потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций ( X – порядковый номер года в динамическом ряду) |
|||
R a = 0,641+0,005· log ( X ) |
R b = 0,574+0,000· log ( X ) |
R c = 0,657–0,287· log ( X ) |
R k = 0,625–0,113· log ( X ) |
|
Среднегодовые темпы прироста / убыли тенденций потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций, % |
||||
+ 0,06 |
0,00 |
-4,87 |
-1,63 |
Окончание табл. 6
Искусственные двухслойные нейронные сети |
Тип нейронной сети |
Cascade-Forward backprop |
Feed-Forward backprop |
||
Число нейронов в скрытом слое |
23 |
30 |
|||
Прогнозы на основе нейросетевых моделей по данным за 2005–2018 гг. |
2019 |
0,291 |
0,488 |
||
2020 |
0,279 |
0,481 |
|||
Регрессионные модели прогноза за период 2005–2018 гг. |
Rc = 0,605–0,026· X |
Rk = 0,621–0,104· log ( X ) |
|||
Прогнозы на основе регрессионных моделей по данным за 2005–2018 гг. |
2019 ( X = 15) |
0,243 |
0,498 |
||
2020 ( X = 16) |
0,217 |
0,496 |
|||
Погрешности прогнозов на основе нейросетевых моделей |
абс. |
2019 |
0,014 |
0,010 |
|
% |
5,05 |
2,09 |
|||
абс. |
2020 |
0,019 |
0,012 |
||
% |
6,38 |
2,56 |
|||
Погрешности прогнозов на основе регрессионных моделей |
абс. |
2019 |
0,034 |
0,020 |
|
% |
12,27 |
4,18 |
|||
абс. |
2020 |
0,081 |
0,027 |
||
% |
27,18 |
5,76 |
|||
Соотношение абсолютных погрешностей прогнозов на основе нейросетевой и регрессионной моделей |
2019 |
2,429 |
2,000 |
||
2020 |
4,263 |
2,250 |
|||
Разница относительных погрешностей прогнозов на основе нейросетевой и регрессионной моделей, % |
2019 |
7,22 |
2,09 |
||
2020 |
20,81 |
3,20 |
На протяжении всего периода наблюдения – с 2005 по 2020 г. включительно – возбудители кишечных инфекций, за исключением сальмонелл, из речной воды не выделялись. Сальмонеллы были обнаружены в 433 исследованных пробах. Установлено, что доля (удельный вес) проб речной воды в месте водозабора городского водопровода, в которых были выявлены сальмонеллы шести идентифицированных сероваров, при сравнении по пятилетним интервалам колебалась в диапазоне от 0,32 в 2011–2015 гг. до 0,80 в 2005–2010 гг. (31,67–79,71 %). Этот же показатель для воды городского пляжа (зоны рекреационного водопользования) оказался существенно выше с варьированием от 0,82 в 2011–2015 гг. до 0,98 в 2016–2020 гг. (81,67–97,73 %) при максимальном зарегистрированном за весь период наблю-
дения значении показателя наиболее вероятного числа (НВЧ) изолированных сальмонелл восьми сероваров, равном 2,4·104 НВЧ/100 см3. При этом в зоне выпуска сточных вод городской канализации в 2016–2020 гг. доля проб с обнаружением сальмонелл десяти сероваров достигла 1,00 (100,0 %), что свидетельствует о крайне напряженной санитарноэпидемиологической ситуации именно на данном участке водотока. Хотя среди изолированных из речной воды сальмонелл во всех точках мониторинга преобладал такой серовар подвида Salmonella enterica subsp . enterica , как Salmonella typhimurium , по остальным сероварам сальмонелл установлены контрастные пространственные различия. Так, если для воды в зоне водозабора наиболее типичными оказались серовары Salmonella derby и Salmonella

чь Интегральные показатели потенциального микробного риска по фактору «Централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение» (Rc)
“Э— Комплексные показатели потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций (Rk)
Рис. 3. Многолетняя динамика потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций в городе Азове за период 2005–2020 гг.
Сравнительная оценка точности среднесрочных прогнозов микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций, полученных альтернативными методами – традиционным экстраполяционным по линиям регрессии и с применением построенных искусственных нейронных сетей, основывалась на их абсолютных и относительных погрешностях по отношению к фактическим показателям, рассчитанным для 2019 и 2020 гг. Подтверждена более высокая точность полученных с применением ИНС прогнозов как по фактору «Централизованное хозяйственно-питьевое водо-
снабжение» ( Rc ), так и по трехфакторному комплексному показателю ( Rk ) потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций (табл. 6).
Результаты ретроспективного анализа за период 2005–2020 гг. свидетельствуют об относительном эпидемическом неблагополучии по заболеваемости населения Азова суммой ОКИ и сальмонеллезами с превышением областных показателей в 1,20 и 2,18 раза соответственно (табл. 7).
Выявлена прямая средней силы статистически значимая ( p < 0,01) корреляционная связь между
Таблица 7
Заболеваемость острыми кишечными инфекциями и сальмонеллезами в городе Азове в динамике за период 2005–2020 гг.
помесячными показателями за период 2005–2020 гг.: частотой заболеваний суммой ОКИ и содержанием ОКБ в воде зоны водозабора при коэффициенте парной корреляции 0,513; частотой заболеваний суммой ОКИ и сальмонеллезами, с одной стороны и значениями рассчитанных комплексных показателей потенциального микробного риска распространения водообусловленных кишечных инфекций ( R k ) – с другой, при соответствующих коэффициентах парной корреляции, равных 0,547 и 0,494.
К основным результатам, полученным в ходе проведения настоящего исследования, посвященного актуальной проблеме минимизации риска эпидемического распространения водообусловленных инфекционных нозологических форм, относится объективная характеристика микробиоценоза воды в акватории города Азова – наиболее загрязненного участка Нижнего Дона, а также системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения на основе результатов санитарно-бактериологического мониторинга за период 2005–2020 гг. Помимо исследования речной и питьевой воды на содержание индикаторной микрофлоры (общих и термотолерантных колиформных бактерий), проводилось определение патогенных энтеробактерий, включая сальмонелл ( Salmonella ), а также наиболее значимых в эпидемическом отношении широко распространенных неферментирующих грамотрицатель-ных потенциально патогенных бактерий, являющихся типичными представителями семейств Enterobacteriaceae и Pseudomonadaceae – клебсиелл ( Klebsiella spp.) и синегнойных палочек ( Pseudomonas aeruginosa ). Дополнительно определялся такой высокоинформативный интегральный показатель потенциальной опасности распространения острых кишечных инфекций, как глюкозоположи-
тельные колиформные бактерии (ГКБ). По результатам выполненных исследований установлены сверхнормативные уровни микробной контаминации речной воды с существенным ухудшением ее санитарно-бактериологических показателей по ходу течения в пределах акватории города Азова. Результаты анализа корреляционной матрицы свидетельствуют, что содержание в воде Нижнего Дона ГКБ может рассматриваться как универсальный индикатор риска распространения бактериальных кишечных инфекций. Это согласуется с мнением ряда авторов, что использование при санитарно-бактериологическом мониторинге данного показателя гарантирует надежный контроль эпидемической безопасности воды, так как входящие в показатель ГКБ бактерии по длительности выживаемости в водных объектах и питьевой воде и высокой устойчивости к действию обеззараживающих агентов соответствуют или превосходят подобные показатели патогенных и потенциально патогенных бактерий [6, 7, 11, 14, 21, 25].
Применение математических моделей расчета интегральных и комплексных показателей уровней потенциальной эпидемической опасности распространения кишечных инфекций в зависимости от санитарно-гигиенических условий водопользования представляет собой эффективный инструмент для реализации процедуры оценки риска здоровью населения, обусловленного бактериальными патогенами, что подтверждается результатами многолетних исследований как в России, так и за рубежом [14, 18, 19, 21, 24, 25]. По результатам выполненных исследований был определен дифференцированный вклад отдельных санитарно-бактериологических показателей в структуру потенциального риска распространения кишечных инфекций и диагностиро-
спективного анализа заболеваемости населения Азова острыми кишечными инфекциями и сальмонеллезами с использованием парного корреляционного анализа подтверждают ее зависимость от уровней потенциального микробного риска.
Выводы. Таким образом, на основе полученных результатов настоящего исследования определен стабильно сверхнормативный уровень бактериального загрязнения речной воды в акватории города Азова, что позволяет диагностировать очень высокий уровень микробного риска распространения водообусловленных инфекционных нозологических форм, в формировании которого приоритетно участие потенциально патогенных микроорганизмов (клебсиелл и синегнойных палочек), а также сальмонелл.
Имплементация в рамках ведения социальногигиенического мониторинга методов и технологий построения математических моделей возникновения и распространения водообусловленных кишечных инфекций бактериальной этиологии служит надежным инструментом проспективного анализа эпидемической ситуации на основе данных о санитарно-микробиологических показателях качества воды открытых водотоков и водоемов, а также питьевой воды. Получаемой на основе комплекса учитываемых санитарно-гигиенических факторов оценке потенциального микробного риска отводится роль важного компонента информационноаналитического обеспечения при разработке оптимизационных управленческих решений по предупреждению эпидемического распространения водным путем кишечных инфекционных заболеваний. При прогнозировании развития эпидемической ситуации высокая точность может быть обеспечена за счет применения технологии искусственных нейронных сетей.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Список литературы Оценка потенциального микробного риска распространения водообусловленных инфекционных заболеваний на участке реки с интенсивным водопользованием
- Попова А.Ю. Стратегические приоритеты Российской Федерации в области экологии с позиции сохранения здоровья нации // Здоровье населения и среда обитания - ЗНиСО. - 2014. - № 2 (251). - С. 4-7.
- Онищенко Г.Г. Актуальные задачи гигиенической науки и практики в сохранении здоровья населения // Гигиена и санитария. - 2015. - Т. 94, № 3. - С. 5-9.
- Рахманин Ю.А., Доронина О.Д. Стратегические подходы управления рисками для снижения уязвимости человека вследствие изменения водного фактора // Гигиена и санитария. - 2010. - № 2. - С. 8-13.
- Проблемы эпидемической безопасности питьевого водопользования населения России / А.Е. Недачин, Т.З. Артемова, Р.А. Дмитриева, Т.В. Доскина, Т.В. Талаева, Л.В. Иванова, Н.Н. Буторина, Д.В. Лаврова [и др.] // Гигиена и санитария. - 2005. - № 6. - С. 14-18.
- Механтьев И.И. Санитарно-гигиенические и эпидемиологические аспекты рекреационного водопользования населения бассейна Верхнего Дона // Здоровье населения и среда обитания - ЗНиСО. - 2020. - № 12 (333). - С. 23-29. DOI: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-23-29
- Is detection of enteropathogens and human or animal faecal markers in the environment associated with subsequent child enteric infections and growth: an individual participant data meta-analysis / A. Mertens, B.F. Arnold, J. Benjamin-Chung, A.B. Boehm, J. Brown, D. Capone, T. Clasen, E.R. Fuhrmeister [et al.] // Lancet Glob. Health. - 2024. - Vol. 12, № 3. -P. e433-e444. DOI: 10.1016/s2214-109x (23) 00563-6
- Source-Associated Gastroenteritis Risk from Swimming Exposure to Aging Fecal Pathogens / B. Wu, C. Wang, C. Zhang, M.J. Sadowsky, M. Dzakpasu, X.C. Wang // Environ. Sci. Technol. - 2020. - Vol. 54, № 2. - P. 921-929. DOI: 10.1021/acs.est.9b01188
- Bacteria communities and water quality parameters in riverine water and sediments near wastewater discharges / C.O. de Santana, P. Spealman, D. Azulai, M. Reid, M.E. Dueker, G.G. Perron // Sci. Data. - 2022. - Vol. 9, № 1. - P. 578. DOI: 10.1038/s41597-022-01686-8
- Pereira M.A., Palmeira J.D., Ferreira H. Contamination of a Water Stream and Water Drainage Reaching Matosinhos Beach by Antibiotic-Resistant Bacteria // Microorganisms. - 2023. - Vol. 11, № 12. - P. 2833. DOI: 10.3390/microorganisms11122833
- Трухина Г.М., Ярославцева М.А., Дмитриева Н.А. Современные тенденции санитарной микробиологии в реализации санитарно-эпидемиологического надзора за безопасностью водных объектов // Здоровье населения и среда обитания - ЗНиСО. - 2022. - Т. 30, № 10. - С. 16-24. DOI: 10.35627/2219-5238/2022-30-10-16-24
- Сравнительная оценка санитарно-эпидемической значимости индикаторных колиформных показателей качества питьевой воды / Ю.А. Рахманин, Л.В. Иванова, Т.З. Артемова, Е.К. Гипп, А.В. Загайнова, Т.Н. Максимкин, А.В. Красняк, П.В. Журавлев [и др.] // Гигиена и санитария. - 2019. - Т. 98, № 3. - С. 237-249. DOI: 10.18821/0016-99002019-98-3-237-249
- Савилов Е.Д., Анганова Е.В. Микробиологический мониторинг водных экосистем // Гигиена и санитария. -2010. - Т. 89, № 5. - С. 56-58.
- Diversity and abundance of bacterial pathogens in urban rivers impacted by domestic sewage / Q. Cui, Y. Huang, H. Wang, T. Fang // Environ. Pollut. - 2019. - Vol. 249 - P. 24-35. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.02.094
- Holcomb D.A., Stewart J.R. Microbial Indicators of Fecal Pollution: Recent Progress and Challenges in Assessing Water Quality // Curr. Environ. Health Rep. - 2020. - Vol. 7, № 3. - P. 311-324. DOI: 10.1007/s40572-020-00278-1
- Korajkic A., McMinn B.R., Harwood V.J. Relationships between Microbial Indicators and Pathogens in Recreational Water Settings // Int. J. Environ. Res. Public Health. - 2018. - Vol. 15, № 12. - P. 2842. DOI: 10.3390/ijerph15122842
- Quantitative microbial risk assessment of the gastrointestinal risks to swimmers at Southeast Asian urban beaches using site-specific and combined autochthonous and fecal bacteria exposure data / T. Denpetkul, M. Pumkaew, O. Sittipunsakda, M. Sresung, N. Chyerochana, A. Kongprajug, S. Rattanakul, Y. Patarapongsant [et al.] // Sci. Total Environ. - 2023. -Vol. 902. - P. 165818. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.165818
- Gorski L., Rivadeneira P., Cooley M.B. New strategies for the enumeration of enteric pathogens in water // Environ. Microbiol. Rep. - 2019. - Vol. 11, № 6. - P. 765-776. DOI: 10.1111/1758-2229.12786
- Оценка микробного риска для установления зависимости между качеством воды и заболеваемостью населения кишечными инфекциями / А.В. Загайнова, Ю.А. Рахманин, Ю.Г. Талаева, С.И. Иванов, Т.З. Артемова, А.Е. Неда-чин, Е.К. Гипп, Н.Н. Буторина // Гигиена и санитария. - 2010. - № 3. - С. 28-31.
- Комплексное изучение микробного риска возникновения острых кишечных инфекций при оценке эпидемической безопасности питьевого водопользования / П.В. Журавлёв, В.В. Алешня, Е.В. Ковалев, М.М. Швагер // Инфекционные болезни: новости, мнения, обучение. - 2018. - Т. 7, № 3 (26). - С. 7-14. DOI: 10.24411/2305-34962018-13001
- Риск для здоровья населения и эффективность мероприятий по повышению качества питьевой воды централизованных систем водоснабжения / Н.В. Зайцева, С.В. Клейн, И.В. Май, А.А. Савочкина, Д.А. Кирьянов, М.Р. Камал-тдинов, С.А. Вековшинина // Гигиена и санитария. - 2022. - Т. 101, № 11. - C. 1403-1411. DOI: 10.47470/0016-99002022-101-11-1403-1411
- Качество питьевой воды: факторы риска для здоровья населения и эффективность контрольно-надзорной деятельности Роспотребнадзора / Н.В. Зайцева, А.С. Сбоев, С.В. Клейн, С.А. Вековшинина // Анализ риска здоровью. -2019. - № 2. - С. 44-55. DOI: 10.21668/health.risk/2019.2.05
- Развитие методологии анализа риска здоровью в задачах государственного управления санитарно-эпидемиологическим благополучием населения / Н.В. Зайцева, Г.Г. Онищенко, И.В. Май, П.З. Шур // Анализ риска здоровью. - 2022. - № 3. - С. 4-20. DOI: 10.21668/health.risk/2022.3.01
- Онищенко Г.Г. Актуальные проблемы и перспективы развития методологии анализа риска в условиях современных вызовов безопасности для здоровья населения Российской Федерации // Анализ риска здоровью. - 2023. -№ 4. - С. 4-18. DOI: 10.21668/health.risk/2023.4.01
- Трухина Г.М. Оценка микробиологического риска среды обитания для здоровья населения в системе социально-гигиенического мониторинга // Здравоохранение Российской Федерации. - 2008. - № 1. - С. 43.
- Contamination Scenario Matters when Using Viral and Bacterial Human-Associated Genetic Markers as Indicators of a Health Risk in Untreated Sewage-Impacted Recreational Waters / M.E. Schoen, A.B. Boehm, J. Soller, O.C. Shanks // Environ. Sci. Technol. - 2020. - Vol. 54, № 20. - P. 13101-13109. DOI: 10.1021/acs.est.0c02189
- Risk of Gastroenteritis from Swimming at a Wastewater-Impacted Tropical Beach Varies across Localized Scales / A. González-Fernández, E.M. Symonds, J.F. Gallard-Gongora, B. Mull, J.O. Lukasik, P.R. Navarro, A.B. Aguilar, J. Peraud [et al.] // Appl. Environ. Microbiol. - 2023. - Vol. 89, № 3. - P. e0103322. DOI: 10.1128/aem.01033-22
- Integrating life cycle assessment with quantitative microbial risk assessment for a holistic evaluation of sewage treatment plant / A. Bhatt, A.C. Dada, S.K. Prajapati, P. Arora // Sci. Total Environ. - 2023. - Vol. 862. - P. 160842. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.160842
- Рахманин Ю.А., Леванчук А.В., Копытенкова О.И. Совершенствование системы социально-гигиенического мониторинга территорий крупных городов // Гигиена и санитария. - 2017. - Т. 96, № 4. - С. 298-301. DOI: 10.18821/00169900-2017-96-4-298-301
- Применение новой питательной среды для выделения сальмонелл из водных объектов для оценки эпидемической безопасности водопользования / Ю.А. Рахманин, П.В. Журавлев, В.В. Алешня, О.В. Панасовец // Гигиена и санитария. - 2016. - Т. 95, № 5. - С. 483-490. DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-5-483-490
- Пархоменко С.С., Леденёва Т.М. Обучение нейронных сетей методом Левенберга - Марквардта в условиях большого количества данных // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2014. - № 2. - С. 98-106.
- Ремезова А.А., Тынченко В.В. Применение искусственных нейронных сетей для решения задач прогнозирования // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2011. - Т. 1, № 7. - С. 371-374.
- Санитарно-бактериологическая характеристика воды Нижнего Дона / П.В. Журавлев, В.В. Алешня, О.П. Панасовец, Г.В. Айдинов, М.М. Швагер, Т.В. Митрофанова, А.А. Глухов, Б.Х. Джансейидов [и др.] // Гигиена и санитария. -2012. - Т. 91, № 4. - С. 28-31.