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牲畜对水的微生物污染:风险评估和缓解的方法
A. J. A. Vinten1-, J. Potts2, L. Avery1 and N. J. C. Strachan3
（收稿于2008年5月29日，修回于2008年11月4日，首次在线发表于2009年2月6日）
在本研究中，我们调查了人类粪便中大肠杆菌O157:H7的发病率可以预测的程度，这种大肠杆菌来自于人类摄入和感染到被牲畜以及苏格兰东北、西南地区携带这种人畜共患病的病原体污染的水。在苏格兰西南部，沿海娱乐水域存在未能符合欧盟粪便指示生物标准的风险，这被认为是主要的潜在的水传播途径。在苏格兰，主要的水上运输路线被认为是许多私人饮用水供应；这些饮用水主要来源于浅层地下水，调查表明，牲畜可能存在严重的微生物污染。这些饮用水来源对人类健康的风险已通过过程模型、流行病学风险评估和调查数据相结合的方法进行了评估。计算中的一个关键假设是动物粪便来源与人类摄入的污染水之间致病性和非致病性大肠杆菌的混合量。根据最近对苏格兰动物粪便进行的三项调查，利用单个粪便轻微物质的大肠杆菌O157含量的概率分布（这意味着来源和人类摄入量之间不存在混合），得出预测的年度感染风险略高于观察到的人类感染发病率。利用几何平均值来表示部分混合（理论上可能会过高或低估凹面剂量—反应曲线的发生率）给出的感染率与三次粪便检查中的两次相似。使用算术平均值进行风险过度预测。如果真正的剂量—反应曲线（例如这里使用的beta;—泊松曲线）是凹的，这是可以预料的。还讨论了其他可能导致过度预测发病率的因素，包括漏报、环境暴露引起的传染性丧失、免疫和beta;—泊松曲线的适当性。结果表明，更好的用于校准剂量-反应曲线的流行病学数据，更好地了解混合的程度和对免疫的理解是过程模型预测感染率的关键要求。本文还探讨了改善农场和流域规模管理的潜力，以便经济有效地减轻牲畜人畜共患病对沐浴和饮用水的污染。
关键词：大肠杆菌，风险，水，牲畜人畜共患病，缓解
引言
2006年，苏格兰有243例经实验室报告的大肠杆菌O157病例(或者说每10万人中有4.8例，其中有37%是噬菌体类型(PT) 21/28)。与此相比，欧盟平均每10万人中有1.2例，很明显，苏格兰这种疾病是欧盟内部的一个热点。
由动物病原体引起的胃肠道感染和其他肠道感染的发生率在苏格兰地区具有显著的空间异质性，苏格兰东北地区发病率较高。表1通过比较苏格兰东北和西南地区四种主要的人畜共患病说明了这一点。这两个地区都有很强的农业优势，但苏格兰西南部地区的养畜密度实际上要比苏格兰东北地区高得多，东北地区的耕地和畜牧混合业很普遍。从农田到地表水的粪便大肠杆菌损失模型表明,粪便大肠菌的预测负荷在西南地区地表水远高于在东北地区(见图1)。
表1 在苏格兰东北和西南地区人的粪便中分离四种人畜共患病发病率
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来自每100000人口人类的分离物 |
Grampian （东北地区） |
Ayrshire and Arran （西南地区） |
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大肠杆菌 弯曲杆菌 隐孢子虫 沙门氏菌 |
13.4 153.6 46.2 32.7 |
6.7 48.1 3.2 11 |
模拟农业来源的CFU出口（每平方公里1E10），包括渠道存储的影响
图1 利用PAMIMO—C 预测了从农业来源到地表水的粪便大肠菌群的出口。转载许可。
这种高损失的粪便指标地表水使得沿海休闲沐浴在苏格兰西南海域易受微生物污染，并导致未能达到欧盟的沐浴水标准，这个标准旨在保护人类健康和确保海滩的审美标准。公共卫生问题已被证实，有若干次大肠杆菌O157的爆发与娱乐用水有关。
在苏格兰东北部，虽然沐浴水域一般通过欧盟标准，但受微生物病原体污染的私人供水对人类健康构成潜在威胁。Reid等人(2003)指出该地区的私人供水密度非常高(占总人口的11%，而平均值为1%)。这是由于渗透性土壤和浅层地下水含水层的存在，使得小规模的抽水或喷灌井与自来水供应给农村家庭和小社区相比而言具有成本效益。Strachan等人(2006)总结了1994年至2003年期间在苏格兰爆发的大肠杆菌O157感染的原因，并表明私人供水与大约50%的环境暴发有关联。还有其他记录了私人供水污染的个别案例。Halliday等人(2006)还发现，在苏格兰大肠杆菌O157阳性农场的粪便准追踪中，高毒性PT 21/28的存在与私人供水的存在之间有显著的相关性。北部农场的位置也是PT 21/28存在的危险因素。虽然食用受污染的食物和与牲畜直接接触也都是疾病发病率的重要因素，但食水途径显然是一个重要的感染途径。
在这篇文章中，我们研究了在苏格兰东北、西南地区的人类粪便中大肠杆菌O157存在的发生率(表1)，可以用这两个地区由于摄入受污染水所造成的感染风险来解释。由于苏格兰西南部的土壤一般都是由不完全排干的冰碛物而产生，并通过地表和人工引流到地表水里，因此，这里的私人供水比苏格兰东北地区要少得多，在那里，经常可以找到沙质、自由排水的土壤。因此，我们简化了区域比较，只评估了在Ayrshire指定的沐浴水域中的大肠杆菌O157相关疾病的风险，并且只评估了在Aberdeenshire的私人供水中饮用水的风险。这样的比较并不构成全面的定量风险评估，但为今后的工作提供了一个框架，以评估水载路线在人类感染方面的作用，从而评估缓解措施的成本效益。
材料和方法
感染风险
表2总结了通过沐浴水和饮用水评估大肠杆菌O157感染风险的方法。利用近似的beta;—泊松关系估算每日的感染风险，其中系数和Strachan等人(2005)的一样:
（1）
其中P是暴露的人在特定剂量下被感染的概率，D是日剂量（细胞），beta;是与50％感染剂量相关的拟合参数（Strachan等人2005年引用beta;=515.86），alpha;是系数（Strachan等人2005年引用为0.162）。
对于有暴露于大肠杆菌O157剂量风险的人群，假定在苏格兰西南部洗澡时，或从苏格兰东北部私人供水饮用水时，特定日期某一特定水源的D值取决于摄入水量。给出下式
（2）
表2 用于比较Ayrshire（西南）大肠杆菌O157感染和Aberdeenshire（东北）私人供水饮用风险的风险评估要素
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要素 |
所需数据 |
Ayrshire沐浴水风险 （西南） |
Aberdeenshire私人饮用水供应风险(东北) |
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来源
运输 混合 摄入 剂量—反应 |
大肠杆菌O157在动物中的患病率 粪便中O157含量的均值和概率分布 总大肠杆菌 粪便投入 从陆地输出 河流和海洋沉淀/死亡是一种动物还是许多动物的摄入？ 摄入了多少水？ 游泳者和饮水者 |
Hutchison等人(2004)、Omisakin等人(2003)、Chase-Toppin等人(2007) Hutchison等人或Halliday等人 Reddy等人（1981） Aitken 等人（2001） Vinten等人（2004） Vinten等人（2004）
每日100毫升/游泳者 SEERAD（2004） 沙滩用户调查 Strachan等人（2005）大肠杆菌O157 beta;—泊松曲线 |
Hutchison等人(2004)、Omisakin等人(2003)、Chase-Toppin等人(2007) Hutchison等人或Halliday等人 Reddy等人（1981） 没有要求 Reid等人（2003）关于Aberdeenshire私人供水系统中大肠杆菌的数据
100毫升/天未煮沸的饮用水 私人用水人口比例 Strachan等人（2005）大肠杆菌O157 beta;—泊松曲线 |
其中ESW/NE(c)是大肠杆菌含量，c是水(细胞/毫升)，RSW/NE(r)是摄入的水中大肠杆菌O157（r）/大肠杆菌总量的比例，WSW/NE是每日的摄水量(毫升)，而这些分词指的是在苏格兰西南部的沐浴水摄入量，或者在苏格兰东北部的饮水量。
据推测，ESW/NE(c)的值根据沐浴水的情况而变化，如果是饮用水的话，不同的水供应数值会有所不同。
我们假设R(r)函数可以从关于新鲜牛粪中大肠杆菌O157的概率分布的文献数据估算，并结合对牛粪的总大肠杆菌含量的确定性估计（我们使用每克粪便的对数值为5.36），并且假设R(r)有一个上限值为1。Halliday等人（2006）已经对88个大肠杆菌O157阳性苏格兰农场（18％的农场采样）的牛粪便中的大肠杆菌O157含量进行了定量分析。包括高毒性(PT 21/28菌株)和低毒性菌株。 Chase-Topping等人（2007）的数据估算了该数据集中动物流行的价值。我们还考虑了另外两项粪便中大肠杆菌O157含量。
Hutchison等人（2004和2005）对英国牛，羊，家禽和猪的粪便样品进行采样，并确定了大肠杆菌O157含量的流行率，算术平均值和几何平均值。Omisakin等人（2003）在有限数量的样本（n = 544）中确定了样本中大肠杆菌O157含量的频率分布。这三个将被称为Halliday，Hutchison和Omisakin数据集。我们对日常生活饮用水受私人供水污染的概率分布R（r）进行了三种不同的假设：
- 水样中R（r）的概率分布由单一粪便沉积物的大肠杆菌O157分布除以总大肠杆菌含量的估计平均值给出。然而，应该指出的是，由于我们使用了大肠杆菌总数的确定性估计，所以这不会给出这个比率的真实分布。使用Halliday或Omisakin数据集中单个粪便沉积物的大肠杆菌O157含量（估计为对数正态分布）的概率分布来描述R（r）在水样中的分布。根据Hutchison等人(2004)的样本，对大肠杆菌O157的几何特征进行了估算。如果数据是对数正态分布，几何级数的自然对数(sigma;)由sigma;2 =2 [ln(算术平均值)－2ln(几何平均值)]给出。感染概率(P)的概率乘以患病率。
- 水样中R（r）的值由大肠杆菌O157的几何平均值除以粪便沉积物中估计的大肠杆菌总量所得。这是基于假设在进入水中之前，粪便源没有完全混合。
（C）水样中R（r）的值由大肠杆菌O157的算术平均值除以粪便沉积物中估计的大肠杆菌总数得出。阳性分离的算术平均值乘以流行率以给出所有家畜的平均值。这是基于假设在进入水之前来自所有粪便源的大肠杆菌完全混合。如果没有发生完全混合，如果剂量反应函数是凹面的，算术平均值的使用会高估人口风险。几何平均值仅用于阳性分离，因此感染概率（P）乘以大肠杆菌O157在动物粪便中的流行率。由于剂量响应函数是凹的，几何平均数的使用可能导致对人口风险的高估或低估。
表3 在Ayrshire的Irvine流域(西南)基于牲畜密度估算每天每公顷几何和算术平均输入
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几何平均数 |
算术平均值 |
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