تشخیص و بروز ارگانیسم ها و عوامل بیماری زا

این مقاله به طور آزاد از طریق PubMed Central به عنوان بخشی از پاسخ اضطراری بهداشت عمومی COVID-19 در دسترس است. می توان از آن برای استفاده مجدد و تجزیه و تحلیل بدون محدودیت به هر شکلی یا به هر وسیله با تأیید منبع اصلی ، برای مدت زمان اضطراری بهداشت عمومی استفاده کرد.

خلاصه

این مقاله مروری بر تکنیک های تشخیص و کمیت موجودات شاخص که می توانند برای ارزیابی کیفیت آب استفاده شوند ، متمرکز شده است. عوامل بیماری زا محیطی که برای درک و ارزیابی بهتر کیفیت آب بسیار مهم هستند نیز در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است. چندین مطالعه اخیر با استفاده از روشهای مستقل از کشت مانند ردیابی منبع میکروبی ، الکتروفورز ژل میدان پالس ، DNA میتوکندری و توالی نسل بعدی برای ارزیابی نمونه های مختلف محیطی و اجسام آب بررسی شده است.

نکات تمرین کننده

پاتوژن های مختلف ناشی از آب و موارد مربوط به شیوع شیوع به دلیل وجود عوامل بیماری زا در این مقاله بررسی مورد بررسی قرار گرفته است.

مطالعات اخیر برای تشخیص ارگانیسم های شاخص اصلی برای ارزیابی وجود عوامل بیماری زا در اجساد آب بررسی شده است.

تکنیک های مستقل از فرهنگ به عنوان ابزاری قوی برای تشخیص و تعیین کمیت پاتوژن های ناشی از آب در این مقاله بررسی شده است.

خلاصه

خصوصیات ارگانیسم های شاخص و ردیابی منبع میکروبی ابزاری قوی هستند که می توانند پاتوژن های بالقوه را تشخیص داده و در طبقه بندی میکروارگانیسم ها بر اساس اثر انگشت فنوتیپی یا ژنوتیپی آنها نقش داشته باشند. ردیابی منبع میکروبی شامل توالی های ژنتیکی (به عنوان نشانگرها) منحصر به گونه های باکتریایی یا ویروسی خاص از میزبان حیوانات خاص است ، که بینش را به منابع آلودگی مدفوع منتقل می کند.

پاتوژن ها

قرار گرفتن در معرض انسان در معرض محیط آب آلوده برای آشامیدنی ، تفریحی و همچنین اهداف کشاورزی مانند آبیاری محصولات زراعی و فرآوری مواد غذایی می تواند منجر به بیماری مرتبط با آب شود. پاتوژن های ناشی از آب و بیماریهای مرتبط با نگرانی عمده بهداشت عمومی است. علاوه بر مرگ و میر مربوط به بیماری های ناشی از آب به دلیل عوامل بیماری زا ، پیشگیری و درمان آنها باعث هزینه قابل توجهی برای جامعه می شود. علیرغم فن آوری های دولتی در فرآیندهای تصفیه آب ، شیوع آب در آب هنوز یک چالش مهم در سطح جهان است. بنابراین ، تشخیص مناسب عوامل بیماری زا در بدن آب و نظارت مناسب بر کیفیت آب نقش های کلیدی در تصمیم گیری در مورد تأمین آب ، فرآیندهای تصفیه آب و زیرساخت های سیستم های توزیع دارد.

اگرچه بیشتر گونه های باکتریایی غیر پاتوژن و حتی برای فرآیندهای محیطی مفید هستند ، اما حدود صد گونه باکتریایی وجود دارد که باعث بیماری های عفونی در انسان می شوند. باکتری های بیماری زا قادر به ایجاد بیماری هنگام ورود به بدن هستند و می توانند از طریق آب ، هوا ، خاک و تماس فیزیکی پخش شوند. اگرچه بسیاری از پاتوژن های باکتریایی که باعث ایجاد بیماری هایی مانند سل ، حصبه ، وبا و دیسترس می شوند ، کنترل شده اند ، بسیاری از پاتوژن های باکتریایی جدید به رسمیت شناخته شده اند و بسیاری از پاتوژنهای باکتریایی چند دارو مانند استافیلوکوکوس اورئوس ، کلبیسلا پنومونیا ، و Mycobacterium tuberculosisپاتوژن های باکتریایی ناشی از آب از نگرانی های اولیه شامل گونه های سالمونلا ، شیگلا ، کلستریدیوم ، لژیونلا ، یرسینیا و مایکوباکتریوم است.

ویروس ها همچنین یکی از دلایل اصلی بیماری های مرتبط با آب هستند. شایع ترین پاتوژن های ویروسی که باعث بیماری های دستگاه گوارش می شوند ، روتاویروس و نورو ویروس هستند (اسکالان و همکاران ، 2011). با این حال ، ممکن است طیف گسترده ای از ویروس ها در فاضلاب انسان یافت شود. آنها را می توان به RNA تک رشته ای (SSRNA) مانند انتروویروس ، سلولهای کبدی ، نورو ویروس ، ساپو ویروس و کرونوویروس طبقه بندی کرد. DNA تک رشته ای (ssDNA) مانند parvovirus و circovirus. و DNA دو قطعه (DSDNA) مانند Mastadenovirus و Polyomavirus.

علاوه بر پاتوژن های باکتریایی و ویروسی ، انگل های تک یاخته یکی از عوامل میکروبی که اغلب در شیوع بیماری ناشی از آب درگیر هستند ، شناخته شده اند. براساس گزارش سازمان بهداشت آب (WHO) ، تک یاخته های انگلی در آب یکی از اصلی ترین دلایل چهار میلیارد مورد اسهال است که هر سال بیش از 1. 6 میلیون کشته می کند. Giardia spp. و cryptosporidium spp. دو گونه اصلی تک یاخته که به عفونت های ناشی از آب منجر به اسهال می شوند. سایر تک یاخته های انگلی که از طریق آب آلوده که باعث عفونت های انسانی می شود منتقل می شوند عبارتند از: sarcocystis spp. ، balantidium coli ، entamoeba histolytica و plasmodium spp. ایجاد بیماری مالاریا.

ارگانیسم های شاخص

ارگانیسم های شاخص میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها و ویروس ها در بدن آب هستند که به عنوان یک جانشین برای ارزیابی حضور عوامل بیماری زا در آن محیط استفاده می شوند. این میکروارگانیسم ها ترجیح داده می شوند غیر پاتوژن باشند ، رشد یا حداقل رشد در آب داشته و در غلظت های کم قابل تشخیص هستند. ارگانیسم های شاخص باید در جمعیت بیشتری نسبت به پاتوژن مرتبط وجود داشته باشند و از نظر ایده آل ، در مقایسه با پاتوژن میزان بقا مشابه دارند. همانطور که در این بخش مورد بحث قرار گرفت ، موجودات مختلف شاخص وجود دارد که می توانند در نظارت بر کیفیت آب مورد استفاده قرار گیرند و کارایی در پیش بینی پاتوژن ها به حد تشخیص آنها ، مقاومت آنها در برابر فشارهای محیطی و سایر آلودگی ها بستگی دارد.

کولیت

باکتری های شاخص مدفوع کشت (FIB) مانند اشرشیاکلی (E.coli) شاخصی از وجود مواد مدفوع از حیوانات با خون گرم است و می تواند به عنوان یک جانشین میکروبی برای نظارت بر کیفیت آب مورد استفاده قرار گیرد. این گونه های باکتریایی میکرو فلورای بومی هستند که در دستگاه روده ای از حیوانات گرم شده و خونریزی استعمار می کنند و وجود آنها در آبهای تازه و دریایی با وجود عوامل بیماری زا باکتریایی مطابقت دارد (وعده های غذایی ، هارکوم ، و پانسمان ، 2013). کل فرم ، کولی فرم ، مدفوع ، E.coli و enterococcus چهار ارزیابی کننده آلودگی مدفوع هستند که توسعه یافته اند. با این حال ، E.coli یک باکتری شاخص مدفوع خاص تر از کل فرم های کل و مدفوع در نظر گرفته می شود زیرا آزمایش برای کل فرم و مدفوع همچنین می تواند باکتری های کولیفرم غیرقانونی گرمازا را تشخیص دهد (Francy ، Myers ، & Metzker ، 1993).

استرپتوکوکی مدفویی استرپتوکوکی مدفویی مدفوع استرپتوکوکی مدفویی مدفوع استرپتوکوکی مدفویی

گونه های استرپتوکوکی مدفوع زیر گروهی از جنس استرپتوکوک است و شامل استرپتوکوک Faecalis ، Streptococcus Bovis ، Streptococcus equinus و Streptococcus Avium است. تعداد قابل توجهی از این گونه ها که در دستگاه روده ای از حیوانات خون آلود انسان و سایر حیوانات ساکن هستند وجود دارد و می تواند به عنوان یک ارگانیسم شاخص استفاده شود. گونه های استرپتوکوکی مدفوع در آب و سایر سیستم های محیطی رشد و تولید مثل نمی کنند ، اما می توانند برای مدت طولانی زنده بمانند و بنابراین ، آنها به عنوان یک ارگانیسم شاخص در نظر گرفته می شوند. در یک مطالعه موردی که توسط الکایام و همکاران انجام شده است.(2017) ، از استرپتوکوکی به همراه سایر شاخص های میکروبی برای ارزیابی اثربخشی درمان سفره های خاک در از بین بردن آلودگی های میکروبی استفاده شد. در یک مطالعه دیگر ، استرپتوکوکی و سایر باکتری های شاخص ، از جمله لاکتوباسیل و کولیفرم برای ارزیابی تأثیر هضم بی هوازی بر میکروارگانیسم های شاخص در کود خوکی و لبنیات اندازه گیری شد (Costa et al. ، 2017).

باکتریوفاژها

باکتریوفاژها ویروس هایی هستند که باکتری ها را آلوده می کنند و به دلیل ویژگی آنها در عفونت میزبان می توانند به عنوان یک ارگانیسم شاخص جایگزین استفاده شوند.coliphages ویروس هایی هستند که E.coli را آلوده می کنند زیرا میزبان آنها به عنوان یک جانشین کارآمد برای ارزیابی کیفیت آب ارائه می شود.coliphage سوماتیک (E.coli CN - 13 به عنوان میزبان) و Coliphage خاص F (E.coli f - amp به عنوان میزبان) دو ارگانیسم شاخص ارائه شده توسط EPA هستند.

علاوه بر این ، سازمان بهداشت جهانی (WHO) کلبه های سوماتیک ، کولیوژهای RNA خاص مردانه (فاژهای F - RNA) و فاژهای باکتریوئیدها را به عنوان شاخص های کیفیت آب به رسمیت شناخته است. گروه فاژ سوماتیک حاوی یک خانواده بزرگ از فاژهای لیتیک با ژنوم DNA تک یا دو طرفه است (هاجسون ، توروک ، و Tubull ، 2017). این باکتریوفاژها دیواره سلولی کولیفرم را به عنوان میزبان خاص متصل می کنند ، که ممکن است حیوانات خون آلود را آلوده کرده و در دستگاه گوارش کپی کند. مشابه با کلبه های جسمی ، هر دو فاژهای F - RNA و باکتریوئیدها در دستگاه گوارش پستانداران تکرار می شوند. با این حال ، باکتری ها فقط تحت شرایط بی هوازی با نیازهای غذایی خاص در دستگاه گوارش زنده می مانند و تولید مثل می کنند. علاوه بر این ، F - RNA و باکترییدها از ویژگی های مختلف دیگری برخوردار هستند. به عنوان مثال ، فاژهای F - RNA RNA تک رشته ای (SSRNA) هستند ، در حالی که فاژهای باکتریوئیدها حاوی ژنوم DNA دو قطعه (DSDNA) با دمهای انقباضی طولانی هستند. به طور کلی ، فاژهای F - RNA ، همچنین به عنوان فاژهای خاص F - شناخته می شوند ، به عنوان شاخص های مؤثر ویروس روده در اکثر محیط ها و فرآیندهای درمانی در نظر گرفته می شوند. مقایسه Coliphage سوماتیک با Coliphage خاص F - ، Jofre ، Lucena ، Blanch و Muniesa (2016) دیدگاه های مختلفی از جمله جمعیت آنها را در منابع آلودگی مختلف ، روش های درمانی و پایداری در محیط های مختلف مورد مطالعه قرار دادند. در بیشتر شرایط ، فاژهای سوماتیک از فاژهای خاص F - بیشتر بودند. Jofre و همکارانش حدود 5 × 10 6 تا 10 7 واحد پلاک (PFU) در 100 میلی لیتر فاژهای سوماتیک در فاضلاب خام شهرداری را تشخیص دادند ، در حالی که فاژهای خاص F با 10 4 تا 10 6 PFU در هر 100 میلی لیتر به طور قابل توجهی پایین بود. علاوه بر این ، فاژهای سوماتیک گزارش شده است که در آب سطحی و آبهای زیرزمینی غالب است. علاوه بر این ، پس از درمان ثانویه ، هر دو باکتریوفاژ می توانند با 50 ٪ -99. 9 ٪ از بین بروند ، با 10 3 تا 10 5 PFU در 100 میلی لیتر فاژهای سوماتیک و 10 2 تا 5 4 PFU در هر 100 میلی لیتر فاژهای اختصاصی F - باقی مانده استدر پساب ثانویه.

روابط بین کولیوژاژها و ویروسهای انسانی و همچنین رابطه آن با خطر سلامتی در چندین مطالعه با نتایج متناقض مورد بررسی قرار گرفت. برخی از محققان (Jofre et al. ، 2016) Coliphages را با ویروس های انسانی و خطر سلامتی در نظر گرفتند ، در حالی که برخی دیگر (McMinn ، Ashbolt ، & Korajkic ، 2017) این بیانیه را رد کردند. مک مین و همکاران.(2017) فاژهای انتروکوکی را به عنوان شاخص های مدفوع بالقوه در نظر گرفت و در هر دو آب تازه و دریایی در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری زنده مانده است. به جز فاژهای انتروکوکی ، هر دو فاژهای سوماتیک و فاژهای خاص F در آب شیرین و آب دریایی تشخیص داده شدند. نکته قابل توجه ، فاژهای جسمی به طور قابل توجهی از فاژهای خاص F - بیشتر برخوردار بودند. با این حال ، تحقیقات بیشتر برای تعریف فاژهای انتروکوکی به عنوان شاخص آلودگی مدفوع به دلیل مناطق محدود مورد مطالعه ضروری است. آنها همچنین نشان دادند كه فاژهای سوماتیک و فاژهای خاص F - بیشترین غلظت را نسبت به سایر باکتریوفاژها مانند باکتری ها و فاژهای انتروکوکی دارند. علاوه بر این ، آنها میزان حذف در فرآیند تصفیه فاضلاب را تعیین کردند و فاژهای سوماتیک ، کلبه های خاص F - و فاژهای باکتریوئیدها کاهش مشابهی داشتند ، در حالی که کولیفرم مدفوع و E.coli به عنوان باکتری های شاخص مدفوع (FIB) کاهش قابل توجهی بالاتر از باکتریوفاژها نشان دادند. بنابراین ، نتیجه گرفته می شود که باکتریوفاژها می توانند به عنوان یک جانشین قوی برای ارزیابی برداشتن پاتوژن ویروسی انسان از طریق تصفیه فاضلاب عمل کنند. Dias ، Ebdon و Taylor (2018) FIB ، باکتریوفاژها (سوماتیک ، F - RNA و B. Fragilis) و پاتوژن های ویروسی را در سیستم های لجن فعال شده و فیلتر ترفند تشخیص دادند ، و همچنین نتیجه گرفتند که فیبر با کارآمدتر از فاژها برداشته می شودمتوجه شد که فیبر برای نشان دادن حذف پاتوژن های ویروسی در سیستم ها نسبت به فاژها کمتر مؤثر است. با این حال ، هیچ ارتباطی بین ارگانیسم های شاخص و پاتوژن های ویروسی یافت نشد.

f + coliphage

F + Coliphage یکی دیگر از رویکردهای جدید برای تشخیص و کمیت پاتوژن ها و آلودگی های مدفوع در بدن آب است. گریفیت و همکاران.(2016) یک مدل رگرسیون بین F + Coliphage ، اندازه گیری شده با روش EPA و بیماری دستگاه گوارش در بین شناگران در سه سواحل کالیفرنیا ایجاد کرد. در مقایسه با جمعیت انتروکوک ، F + Coliphage کشف شد که با بیماری دستگاه گوارش بهتر همراه است. علاوه بر این ، نشان داده شد که ژنوتیپ Coliphage II F + RNA به طور قابل توجهی با بیماری دستگاه گوارش در یکی از بدن های آب مرتبط است. Yamahara ، Sassoubre ، Goodwin و Boehm (2012) میزان پوسیدگی F + Coliphage را ارزیابی کردند ، که نشان دهنده نسبتاً بالاتر از FIB یا سایر شاخص های پاتوژن بود. آنها با استفاده از qPCR به عنوان یک روش مستقل از فرهنگ ، وقوع و تداوم فیبر و پاتوژن ها را از 53 سواحل کالیفرنیا بررسی کردند. از مجموعه نمونه های شن و ماسه خشک ، F + coliphages میزان پوسیدگی مرتبه اول 0. 42 در روز را نشان داد ، در حالی که سایر نشانگر فیبر و پاتوژن ها منجر به پوسیدگی بسیار پایین تر می شوند. Vijayavel و همکاران.(2014) با مقایسه سویه های میزبان جدید انتروکوکوس با F + Coliphage ، بر نظارت بر کیفیت آب تفریحی و فاضلاب در منطقه دریاچه های بزرگ متمرکز شد و نتیجه گرفت که سویه های میزبان Enterococcus جدید (EN T-49 و ENT - 55) در مقایسه با سطح تشخیص مشابهی در مقایسه هستند. به f + coliphage. به طور کلی ، F + Coliphage و enterococcus در غلظت های بالاتر در فاضلاب وجود داشتند ، در حالی که در رودخانه ها و بندرها کم بودند. در یک مطالعه دیگر توسط لی ، لی ، چو ، هور و KO (2011) ، F + Coliphage در 71 آب زیرزمینی و پنج نمونه آب سطحی در کره مشاهده شد. در حالی که این نمونه ها با آلودگی مدفوع مرغ و انسان در آبهای زیرزمینی همراه بودند ، آب سطحی حاوی F + Coliphage با گاوها بود. طبق این مطالعات موردی ، F + Coliphage می تواند به طور مستقل یا همراه با سایر باکتری های شاخص مدفوع برای تشخیص آلودگی های مدفوع استفاده شود.

وقوع عوامل بیماری زا در معرض آب

پاتوژن های ناشی از آب از وسایل مختلف از جمله فرآیندهای تصفیه ناکارآمد ، سیستم توزیع آب معیوب و آلودگی آب با نشت فاضلاب به آب های آب معرفی می شوند. یک مطالعه موردی در سال 2015 گزارش داد که 188 بیمار بعد از اردوگاه مدرسه در کره علائم حاد دستگاه گوارش را تجربه کردند که در آن این علائم ناشی از اسهال E.coli (DEC) در آب آشامیدنی بود. پس از بررسی ، تیم تحقیقاتی نشان داد که خط لوله آسیب دیده و سیستم تصفیه ناکارآمد آب برای باکتری ها و ویروس دو دلیل اصلی است (پارک و همکاران ، 2018). یکی دیگر از شیوع گاستروانتریت نورو ویروس در ایتالیا با سیستم آب آشامیدنی نادرست ناشی از یک دستگاه کلر قدیمی و نزدیکی به مظنون به دامپینگ فاضلاب غیرقانونی همراه بود (Giammanco et al. ، 2018). در یک مطالعه جدید دیگر که توسط مک کلونگ و همکاران انجام شده است.(2018) ، شیوع مرتبط با قرار گرفتن در معرض محیط زیست و همچنین نامشخص در معرض آب مورد بررسی قرار گرفت. آنها تشخیص دادند كه لژیونلا و جیاردیا به ترتیب در سیستم ساخته شده انسان و سیستم آب طبیعی درگیر هستند و یك برنامه مدیریت آب را در مورد كنترل لژیونلا در سیستم ساخته شده انسان و فرآیندهای تصفیه مناسب پیشنهاد كرده اند تا از آب خام استفاده شود تا از جیاردیا جلوگیری شود.

بازیافت آب و استفاده مجدد از آب در برنامه های کاربردی مستقیم و غیرمستقیم قابل شستشو و غیر قابل استفاده در طی چند سال گذشته در سراسر ایالات متحده و در سطح جهان به دلیل دسترسی محدود به آب شیرین ادامه می یابد. با این حال ، اطمینان از کیفیت آب در آب بازپس گیری بسیار مهم است. در چند سال گذشته ، برخی از مطالعات تحقیقاتی بر خصوصیات کیفیت میکروبی و تشخیص عوامل بیماری زا در آب اصلاح شده متمرکز شده اند. ژو و همکاران.(2019) شاخص های مدفوع و باکتری های بیماری زا را در هر دو آب پس گرفته شده و جریان برگشتی (به عنوان مثال ، آب سطح و زیرسطحی که پس از استفاده از آب آبیاری ، میدان را ترک می کند) بررسی کرد و E.coli ، کل فرم و انتروکوک ها را به عنوان شاخص مدفوع در شناسایی کرد. آب احیا شدهاز طرف دیگر ، جریان بازده آبیاری حاوی مقدار قابل توجهی از شاخص های باکتریایی بود که به طور قابل توجهی بالاتر از معیارهای EPA اندازه گیری شده در 126 واحد شکل گیری مستعمره (CFU)/100 میلی لیتر بود. علاوه بر این ، سالمونلا به عنوان باکتری های بیماری زا در جریان بازگشت با بالاترین 4. 6 احتمالی شماره (MPN)/L یافت شد. با این حال ، آنها بین شاخص مدفوع و غلظت سالمونلا رابطه معنی داری پیدا نکردند.

گارنر و همکاران.(2018) پنج پاتوژن فرصت طلب از جمله Acanthamoeba spp. ، Legionella spp. ، mycobacterium spp. ، naegleria fowleri ، و pseudomonas aeruginosa را در هر دو مورد اصلاح شده (استفاده مجدد غیر قابل استفاده) و سیستم آب آشامیدنی تشخیص داد. آنها از qPCR برای تعیین کمیت نشانگرهای خاص ژن 16S rRNA که نمایانگر ساختار جامعه میکروبی آنها بودند ، استفاده کردند. کشف شد که لژیونلا سس ، مایکوباکتریوم spp. ، و ژنهای 16S rRNA آنها در آب بازپس گیری شده (کپی ژن 3. 4-4. 4 کپی/میلی لیتر) نسبت به آب آشامیدنی (1. 7 کپی ژن log/ml) فراوان است. علاوه بر این ، نسخه های ژن log 2. 5-3. 7 در میلی لیتر از مایکوباکتریوم spp وجود دارد. در آب احیا شده. هر دو N. Fowleri و Acanthamoeba spp. مقادیر مشابهی از نسخه های ژن در آب بازپس گیری شده و آب آشامیدنی داشت. سرانجام ، P. aeruginosa در آب احیا شده و آب آشامیدنی تشخیص داده نشد.

عوامل محیطی دیگری نیز وجود دارد که می تواند بر وقوع و رشد ارگانیسم های بیماری زا در آب تأثیر بگذارد. Jjemba ، Johnson ، Bukhari و Lechevallier (2015) نتیجه گرفتند که در حالی که Legionella spp. می تواند هم در دمای سرد و هم در دمای گرم زنده بماند ، محیط دما کمتری برای رشد آنها ایده آل تر است. براساس نظرسنجی از 40 برج خنک کننده در ژاپن ، 73 ٪ از برج ها حاوی لژیونلا spp بودند. در حالی که تعداد کمتری از لژیونلا spp. گزارش شده است که در 70 درجه سانتیگراد در بخاری های آب زنده مانده است. علاوه بر این ، کلکارنی و همکاران.(2017) نمونه های آب را با کاوش در کل جامعه باکتریایی از کارخانه های تصفیه فاضلاب معمولی ، محل آبیاری اسپری با اشعه ماوراء بنفش و تصفیه هوا باز تجزیه و تحلیل کرد. این مطالعه نتیجه گرفت که پاتوژن های فرصت طلب مانند لژیونلا و مایکوباکتریوم قادر به حذف و بازیابی مجدد در سیستم های آب بازپس گیری نیستند. در حقیقت ، خوشه لژیونلا spp. در مقایسه با غلظت آنها در تأثیرگذار ، جمعیت فزاینده ای در پساب مشاهده شد ، در حالی که ضد عفونی اشعه ماوراء بنفش نمی تواند رشد لژیونلا را مهار کند. و همچنین Mycobacterium spp.

تکنیک های تشخیص و کمیت پاتوژن های ناشی از آب

روشهای وابسته به کشت مانند تعداد صفحه هتروتروفیک (HPC) برای تشخیص و تعیین کمیت پاتوژن های ناشی از آب ، هزینه بر و زمان است. علاوه بر این ، روشهای آزمایشگاهی در این روشها برای تعیین کمیت کارآمد نیاز به آموزش فشرده دارند. علاوه بر این ، اکثریت قریب به اتفاق پاتوژن ها وجود دارند که در یک حالت قابل دوام اما غیر قابل فرهنگ (VBNC) وجود دارند ، که روشهای وابسته به فرهنگ ممکن است نتایج منفی کاذب داشته باشند. بنابراین ، در این بررسی ، ما فقط در مورد روشهای مستقل فرهنگ که به طور فزاینده ای در چند سال گذشته در حال توسعه هستند ، بحث کرده ایم. روشهای مستقل از فرهنگ به طور معمول بر اساس تشخیص و تعیین بخشهای خاص DNA یا RNA در ژنوم پاتوژن ناشی از آب انجام می شود. علاوه بر این ، چندین گروه از باکتری های هوازی و بی هوازی مدفوع وجود دارد که کاندیداهای مناسب به عنوان شاخص های جایگزین برای ارزیابی کیفیت آب هستند که در این بخش مورد بحث قرار می گیرد.

ردیابی منبع میکروبی (MST)

ردیابی منبع میکروبی تکنیکی برای شناسایی منابع شاخص مدفوع آلودگی باکتریها است. آلودگی مدفوع محدود به فاضلاب نیست و می تواند در اثر رواناب سطحی از فعالیت های کشاورزی ، خوراک گاو ، حیوانات اهلی و تخلیه مدفوع توسط حیات وحش ایجاد شود. ردیابی منبع میکروبی می تواند در طبقه بندی میکروارگانیسم ها در بدن آب بر اساس اثر انگشت فنوتیپی یا ژنوتیپی آنها و برخلاف باکتری های شاخص مدفوع کمک کند. این می تواند بین منابع مختلف آلودگی مدفوع تبعیض قائل شود. ردیابی منبع میکروبی می تواند توالی های ژنتیکی (به عنوان نشانگر) را منحصر به گونه های باکتریایی یا ویروسی خاص از میزبان حیوانات خاص ، که بینش در منابع آلودگی مدفوع را نشان می دهد ، داشته باشد.

در یک مطالعه انجام شده توسط بردشو و همکاران.(2016) ، پاتوژن های ناشی از آب از طریق یک مدل آماری ، که از نشانگرهای FIB و MST تشکیل شده است ، در آب و رسوبات به دست آمده از آب مشاهده شد. آنها از روشهای مبتنی بر کشت و سنجش qPCR برای تعیین کمیت فیبر استفاده کردند. علاوه بر این ، آنها قادر به شناسایی چهار پاتوژن اولیه ، از جمله Campylobacter spp. ، spp. listeria ، salmonella spp. ، و سم شیگا تولید کننده E.coli در نمونه های آب بودند. اگرچه ، هر دو نشانگر FIB و MST مربوط به عوامل بیماری زا بازیابی شده از آب بودند ، اما مطالعه آنها نشان داد که FIB نمی تواند به طور مستقل پاتوژن های ناشی از آب را پیش بینی کند. در مطالعه دیگری که توسط لی و همکاران انجام شده است.(2015) ، ریزآرایی MST سفارشی از روشهای qPCR و مبتنی بر کشت موثرتر بود. آنها یک ریزآرایی MST را برای شناسایی عوامل بیماری زا و آلودگی مدفوع در نمونه های متنوع محیطی از جمله فاضلاب ، کود گاو ، کود خوکی و بستر طیور طراحی کردند. در همین حال ، آنها ریزآرایی خود را با روش های دیگر ، مانند qPCR ، روش های مبتنی بر کشت و توالی نسل بعدی (NGS) مقایسه کردند. علاوه بر تشخیص پاتوژن های ناشی از آب با ریزآرایی ، نشان داده شد که ریزآرایی با روشهای qPCR و مبتنی بر کشت ارتباط دارد. ریزآرایه و qPCR در تشخیص spp انتروکوکی همبستگی نسبتاً بالایی داشتند. و باکتری ها با نتایج بسیار مثبت کاذب.

اگرچه روشهای فنوتیپی مانند تجزیه و تحلیل مقاومت آنتی بیوتیکی (ARA) و پروفایل های استفاده از کربن (CUP) برخی از پتانسیل ها را نشان داده اند (Moussa & Massengale ، 2008 ؛ Schwaiger ، Schim ، & Bauer ، 2010) به عنوان یک روش ردیابی منبع میکروبی ، مطالعات بیشتر ژنوتیپ را اجرا کرده اندتحلیل و بررسی. در سالهای اخیر ، چندین روش اثر انگشت DNA برای MST استفاده شده است ، از جمله الکتروفورز ژل پالس Field (PFGE) ، DNA میتوکندری و توالی نسل بعدی (NGS) ، که در بخش زیر مورد بحث قرار می گیرند.

الکتروفورز ژل پالس شده (PFGE)

الکتروفورز ژل پالس Field (PFGE) یک روش جایگزین برای تشخیص پاتوژن های ناشی از آب است. اصل PFGE تجزیه و تحلیل اثر انگشت DNA یا ژنتیک نمونه ها و سپس جداسازی آنها بر اساس پروتکل مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری ها (CDC) است. مطالعات قبلی اثربخشی PFGE در تشخیص عوامل بیماری زا مانند سالمونلا و لیستریا را نشان داده است. Donado - Godoy و همکاران.(2015) PFGE را اعمال کرد و سالمونلا پاراتفیفی و سالمونلا هایدلبرگ را از مزارع طیور ، نمونه های مدفوع و گوشت مرغ خرده فروشی در کلمبیا شناسایی کرد. در کل 82 الگوی سالمونلا پراتیفی و 21 الگوی سالمونلا هایدلبرگ جدا شدند و هر دو گونه با مقایسه ژنوتیپ ها منجر به بیش از 85 ٪ شباهت شدند. با این حال ، آنها متوجه شدند که توانایی PFGE به برخی از سروتیپ ها مانند Salmonella enteritidis کاهش می یابد. از این رو ، آنها پیشنهاد کردند که با استفاده از تکنیک های دیگر از جمله تایپ توالی چند تمرکز (MLST) ، تجزیه و تحلیل تکراری با تعداد چند متغیر - متغیر - تعداد (MLVA) ، و عنصر تکراری PCR PCR (Rep - PCR) ، همراه با PFGE می توانند نتیجه قابل اطمینان تری داشته باشند. در دو مطالعه اخیر ، تکنیک PFGE به ترتیب با MLST (Kleta et al. ، 2017) و MLVA (شاراپوف و همکاران ، 2016) ترکیب شده است تا لیستریا مونوسیتوژنز و E.coli O157: H7 را تشخیص دهند.

DNA میتوکندری

DNA میتوکندری بخش بسیار کمی از ژنوم ارگانیسم را نشان می دهد ، اما می توان از آن به عنوان یک نشانگر برای ردیابی آلودگی مدفوع در آب استفاده کرد. DNA میتوکندری در چندین نسخه در سلول ظاهر می شود ، بنابراین تقویت و کمیت نسبتاً آسان است. او و همکاران.(2016) پنج نشانگر DNA میکروبی (mDNA) و چهار نشانگر DNA میتوکندری (mtDNA) از انسان و خوک را از طریق روش واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) ارزیابی کرد. در این مطالعه ، حساسیت ها ، ویژگی ها ، غلظت ها و میزان پوسیدگی mDNA و mtDNA مورد بررسی قرار گرفت و نشان داد که اکثریت mDNA حساسیت کمتری نسبت به mtDNA دارند. علاوه بر این ، mtDNA در مقایسه با ویژگی های MDNA (92 ٪) از ویژگی های نسبتاً بالاتر (98 ٪) برخوردار است. علاوه بر این ، میزان پوسیدگی نشانگرهای DNA در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت ، که افزایش قابل توجهی در میزان پوسیدگی در دمای بالاتر نشان داد. در یک مطالعه دیگر ، Villemur ، Imbeau ، Vuong ، Masson و Payment (2015) DNA را از نمونه های آب سطحی 82 آبخیزداری برای ارزیابی نشانگرهای mtDNA انسان ، گاو و گوشت خوک و همچنین نشانگر باکتری HF183 از طریق روش PCR استخراج کرد. بر اساس نتایج آنها ، پیشنهاد شده است که میتوهو (نشانگر DNA میتوکندری انسانی) و HF183 را می توان در ردیابی منبع استفاده کرد. در یک مطالعه دیگر ، پاشا و همکاران.(2018) همچنین نتیجه گرفت که HF183 با COLIFORMS با ضریب همبستگی 0. 79 ارتباط دارد. آنها نمونه های آب را از یک کارخانه تصفیه خانه فاضلاب در جنوب تگزاس به دست آوردند و از Bachum و E.coli به عنوان ردیابی منبع مدفوع استفاده کردند ، به همراه mtDNA انسانی به عنوان یک نشانگر مستقیم. نشان داده شد كه باچوم با ضریب همبستگی 76/0 همبستگی با كلیفرم داشت. علاوه بر استفاده از mtDNA به عنوان نشانگر ردیابی منبع میکروبی در آب سطحی و فاضلاب ، mtDNA پتانسیل را به عنوان یک نشانگر میکروبی برای تشخیص آلودگی های مدفوع در آب طوفان یا بارندگی های شدید نشان داده است. Waso ، Khan و Khan (2018) با موفقیت یک mtDNA رمان را برای هدف قرار دادن ژن mtDNA سیتوکروم B از طریق روش جهش تقویت عدم تطابق (MAMA) با PCR که آلودگی مدفوع کبوتر در باران های برداشت شده را شناسایی کرد ، طراحی کردند. حساسیت میزبان بالا (100 ٪) و ویژگی میزبان (96 ٪) پس از غربالگری تمام نمونه های مدفوع ، که عملکرد بسیار خوبی بر اساس معیارهای EPA داشتند ، بدست آمد. برای نشانگرهای MST تازه طراحی شده ، استانداردی که توسط EPA برای حساسیت میزبان و ویژگی میزبان 80 ٪ ایجاد شده است. علاوه بر این ، آنها همزمانی نشانگر کبوتر mtDNA را با سایر موجودات شاخص ، تجزیه و تحلیل کردند.

از جمله باکتریهای هتروتروفیک ، E.coli ، کل فرم های کل و کل فرم های مدفوع. نتایج آنها نشان داد که نشانگر mtDNA کبوتر در این مطالعه می تواند به عنوان یک ابزار تکمیلی به همراه سایر شاخص ها به دلیل فرکانس همزمانی نسبتاً بالا استفاده شود.

Bacteroides spp.

مطالعات قبلی شواهدی ارائه داده اند که نشان می دهد گروه باکتریایی ها از ویژگی های میزبان بالایی برخوردار هستند (Behard & Field ، 2000) ، و بنابراین ، این جنس می تواند به عنوان یک شاخص میکروبی استفاده شود. توسعه سنجش PCR از ژنهای 16S rRNA در باکتری ها ثابت کرده است که از منطقه V2 می توان برای تمایز باکتری ها از میزبان های مختلف استفاده کرد (میسزکین ، یلا ، ژوبل ، و گورلون ، 2010 ؛ اوکاب ، اوکاراما ، ساویشچوا ، و ایتو ، 2007). در یک مطالعه توسط مک للان و ارن (2014) ، نشانگرهای آغازگر HF183 و نشخوارکنندگان نشان دادند که باکتری ها در میزبان نشخوارکنندگان و گونه های دیگر وجود دارند. با این حال ، مقایسه باکتری های میزبان میزبان نشانگرهای ژنتیکی نشان داد که نشانگرهای خاص انسان نسبت به نشانگرهای نشخوارکننده پایدارتر بودند. در مطالعه دیگری که توسط کیرس و همکاران انجام شده است.(2016) ، spp.(HF183 Taqman) از نشانگرها به عنوان شاخص ها برای تعیین آلودگی فاضلاب در هاوایی استفاده شد. آنها نتیجه گرفتند که غلظت HF183 در نمونه های مدفوع انسان 1000 برابر بیشتر از نمونه های مدفوع حیوانات بود. همچنین ، کیر و همکار میزان پوسیدگی HF183 را با انتروکوکی ها در زیر نور خورشید و شرایط تاریک مقایسه کردند و نشان دادند که میزان پوسیدگی HF183 به طور قابل توجهی پایین تر از انتروکوکی ها در نور خورشید است ، در حالی که میزان پوسیدگی در تاریکی بسیار مشابه بود. علاوه بر این ، حساسیت (80 ٪) و ویژگی (78 ٪) برای نمونه های انسانی نسبتاً زیاد تشخیص داده شد ، بنابراین ، باکتریوئیدها را می توان برای شناسایی منشاء آلودگی مدفوع و پاتوژن های ناشی از آب استفاده کرد. مارتی و همکاران.(2013) روابط بین نشانگر MST (باکتری ها) ، شاخص های باکتری مدفوع (FIB) و پاتوژن ها را مورد مطالعه قرار داد. آنها نتیجه گرفتند که وجود و عدم وجود نشانگر باکتری ها با FIB ارتباط ندارد ، بلکه با عوامل بیماری زا مانند Cryptosporidium و Giardia ارتباط مثبت دارد. در یک مطالعه دیگر که توسط نیوتن ، واندوال ، بورچارد ، گورلیک و مک للان (2011) انجام شده است ، از باکتریوئیدها به عنوان نشانگر MST برای ارزیابی آلودگی فاضلاب مزمن انسان در بندر شهری استفاده شد. نتایج تجربی آنها نشان داد که کل باکتری ها spp. در نمونه های مدفوع انسان فراوان بود ، که نشان دهنده همبستگی قوی با آلودگی مدفوع انسان بود. علاوه بر این ، bacteroidales spp. در دوره های سرریز ترکیبی - در مقایسه با فصول خشک ، اغلب در طول دوره های سرریز ترکیبی تشخیص داده شد.

لاچنوسپیرسه

Lachnospiraceae گروه دیگری از باکتری های بی هوازی مدفوع است که به ویژه در فاضلاب انسان فراوان رخ می دهد و به عنوان یک شاخص میکروبی برای ارزیابی کیفیت آب مورد بررسی قرار گرفته است. مک للان و ارن (2014) شاخص های آلودگی مدفوع انسانی را بررسی کردند و نشان دادند که بیش از 75 ٪ از جامعه میکروبی مدفوع با Lachnospiraceae همراه است. مقایسه تجزیه و تحلیل توالی نمونه های فاضلاب در یک مطالعه توسط نیوتن و همکاران.(2011) یک فیلوتایپ مرتبط با انسان در خانواده Lachnospiraceae ایجاد کرد. این فیلوتیپ ، که به عنوان Lachno2 نامیده می شود ، از نزدیک با جنس Blautia مرتبط بود ، دومین فیلوتای باکتریایی باکتری مدفوع بود و برای ارزیابی آلودگی فاضلاب مزمن انسان در بندر شهری درگیر شد. رابطه نزدیک بین باکتری ها و Lachno2 امکان استفاده از این شاخص را به عنوان کاندیدای عالی برای شاخص مدفوع مرتبط با میزبان برای باکتریوئیدها برای تعیین آلودگی مدفوع انسان در آب سطحی تأیید کرد. در یک مطالعه جدید توسط Feng ، Bootsma و McLellan (2018) ، نشانگرهای ژنتیکی تعیین شده ، به عنوان Lachno3 و Lachno12 که در منطقه V6 حاکم هستند ، نامیده می شوند ، برای تشخیص آلودگی مدفوع انسان و حیوان در آب شهری مورد بررسی قرار گرفت. این سنجش ها با نمونه های مدفوع گربه ، سگ ، خوک ، گاو و گوزن مورد بررسی قرار گرفت. اگرچه هر دو نشانگر Lachno3 و Lachno12 مرتبط با انسان بودند ، اما نشانگر Lachno12 در نمونه های پایین در نمونه های سگ ها و گاوها تشخیص داده شد ، در حالی که نشانگر Lachno3 فقط در آلودگی مدفوع انسان یا فاضلاب تشخیص داده شد. پیشنهاد شده است که ترکیبی از چندین نشانگر تعارف مانند Lachno3 با Lachno12 یا HF183 ممکن است شناسایی منابع آلودگی مدفوع انسانی را بهبود بخشد.

توالی نسل بعدی (NGS)

توالی یابی نسل بعدی (NGS) به عنوان یک رویکرد جدید برای تشخیص شاخص پاتوژن به صورت جداگانه یا همراه با FIB و عوامل بیماری زا در تشخیص فاضلاب انسانی و کیفیت آب آشامیدنی مشخص می شود. توالی یابی مناطق مختلف در rRNA زیر واحد کوچک (SSU) به عنوان یکی از اجزای اصلی در جوامع میکروبی، گونه های میکروبی را شناسایی می کند که می توانند به عنوان شاخصی برای آلودگی مدفوعی یا سایر آلودگی های بیماری زا عمل کنند، و بنابراین، NGS می تواند صفحه نمایش با کیفیت بالا را برای توالی ها برای ارزیابی ارائه دهد. آلودگی مدفوع و فاضلاب انساندر مطالعه ای که توسط تان و همکاران انجام شد.(2015)، مناطق فوق متغیر V1 و V2 از SSU rRNA برای شناسایی عوامل بیماری زا در حوضه های شهری و کشاورزی در امتداد رودخانه سانتا آنا، CA تعیین توالی شدند. در مطالعه دیگری، Shrestha و همکاران.(2017) از ژن NGS 16S rRNA استفاده کرد و اسینتوباکتر، آرکوباکتر و کلستریدیوم را به عنوان باکتری های بیماریزای احتمالی شناسایی کرد. از آنجایی که نمونه مشابه هیچ باکتری شاخص مدفوعی را نشان نداد، آنها محدودیت استفاده از باکتری های شاخص مدفوع را در ارزیابی کیفیت آب آلوده به عوامل بیماری زا پیشنهاد کردند. تنوع پاتوژن توسط آمپلیکون NGS در مطالعه ای که توسط Cui، Fang، Huang، Dong و Wang (2017) انجام شد، ارزیابی شد. DNA ژنومی از نمونه های مختلف با هدف قرار دادن منطقه V4 ژن 16S rRNA تعیین توالی شد و گونه های بیماری زا با مقایسه توالی ها با پایگاه داده مرجع باکتری های بیماری زا انسانی شناسایی شدند.

نتیجه