指標細菌

指標細菌は、水の糞便汚染レベルを検出し、推定するために使用される 細菌の一種です。人間の健康に危険はありませんが、健康リスクの存在を示すために使用されます。

人間の排泄物1グラムには約1000億個（1 × 10 ¹¹ ）の細菌が存在する。^[1] これらの細菌には、胃腸炎に関連するサルモネラ菌やカンピロバクター菌などの病原性細菌の種が含まれる可能性がある。さらに、糞便には病原性ウイルス、原生動物、寄生虫が含まれている可能性がある。糞便は、廃水処理場、家畜または家禽の糞尿、衛生埋立地、浄化槽、下水汚泥、ペット、野生動物など、多くの発生源から環境に侵入する可能性がある。十分な量を摂取すると、糞便病原体が病気を引き起こす可能性がある。環境水中の病原体は多様で、濃度が低いことが多いため、個別に検査することは困難である。そのため、公的機関は、より豊富で検出しやすい糞便細菌の存在を、糞便汚染の存在の指標として使用している。糞便中に見つかる細菌とは別に、口腔内および腸の内容物にも細菌が見つかる可能性がある。^[2]

米国環境保護庁（ EPA ）は、糞便汚染の理想的な指標となる生物の基準として以下を挙げている。^[要出典]

1. 腸内病原体が存在するときは常にこの微生物が存在するはずである
2. この生物はあらゆる種類の水に有用であるはずである
3. この微生物は、最も頑強な腸内病原菌よりも長い生存時間を持つはずである。
4. 生物は水中で成長してはならない
5. この生物は温血動物の腸内に生息するはずです。

現在使用されている指標生物の種類はいずれもこれらの基準のすべてに完全に適合するものではありませんが、コストを考慮すると、指標の使用が必要になります。

一般的に使用される指標細菌には、温血動物の腸管内に生息する大腸菌群や、このグループのサブセットである糞便性大腸菌群が含まれます。米国の公的機関では、1920 年代初頭から、大腸菌群を糞便指標として使用していました。これらの微生物は、いずれも糖であるラクトースを代謝し、副産物として酸とガスの両方を生成することから識別できます。レクリエーション用の水域では、植物や土壌に自然に存在する種を含む大腸菌群よりも糞便性大腸菌群の方が指標として有用です。ただし、クレブシエラ・ニューモニエなど、糞便由来ではない糞便性大腸菌群種もいくつか存在します。大腸菌群を指標として使用することの最大の欠点は、特定の条件下では水中で増殖する可能性があることでしょう。

大腸菌（ E.coli）や腸球菌も指標として使用されます。

指標細菌は、対象種の成長を可能にし、他の生物の成長を阻害するように特別に配合された培地で培養できます。通常、環境水サンプルは、孔径の小さい膜で濾過され、その後、膜は選択寒天上に置かれます。プレート上に形成されるコロニーが少なすぎたり多すぎたりしないように、濾過される水サンプルの量を変える必要があることがよくあります。細菌コロニーは、細菌の種類に応じて 24 ～ 48 時間後にカウントできます。カウントは、100 mL あたりのコロニー形成単位 (cfu/100 mL) として報告されます。

指標生物を検出する技術の1つは、指標細菌の分離に使用される従来の培地または新しく考案された培地に添加される発色化合物の使用です。これらの発色化合物は、酵素または特定の細菌代謝産物のいずれかを添加することで、色または蛍光を変化させるように改変されます。これにより、検出が容易になり、純粋培養物の分離や確認試験の必要性がなくなります。^[3]

モノクローナル抗体を用いた免疫学的方法は、水サンプル中の指標細菌の検出に使用できます。死細胞の検出を避けるために、検出の前に選択培地で前培養する必要があります。大腸菌の微小コロニーを迅速に識別するために、肉眼で読み取り可能な検出を可能にするELISA抗体技術が開発されました。検出における抗体のその他の用途では、免疫磁気分離（IMS）法で後述するように、抗体でコーティングされた磁気ビーズを使用してオーシストとシストの濃縮と分離を行います。^[3]

免疫磁気分離法では、精製抗原をビオチン化し、ストレプトアビジンでコーティングした常磁性粒子に結合させます。生のサンプルをビーズと混合し、特定の磁石を使用して標的微生物をバイアル壁に保持し、結合していない物質を注ぎ出します。この方法は、特定の指標細菌を回収するために使用できます。^[3]

遺伝子配列に基づく方法は、特定の生物株に特有の遺伝子配列の認識に依存しています。ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）と蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）は、現在、指標細菌の特定の株を検出するために使用されている遺伝子配列に基づく方法です。^[3]

世界保健機関の飲料水水質ガイドラインでは、指標生物である大腸菌は最近の糞便汚染の決定的な証拠となるため、人間の飲用水には存在してはならないとしている。[ ^4]米国では、EPAの総大腸菌群規則により、毎月の水サンプルの5%以上に大腸菌が含まれている場合、公共水道システムは不適合であるとされている。^[5]

初期の研究では、幾何平均大腸菌群密度が2300/100mLを超える水域で3日間泳いだ人は、病気の発生率が高かったことが示されました。^[6] 1960年代に、これらの数値は、総大腸菌群の18％が糞便中であると仮定して、糞便中大腸菌群濃度に変換されました。その結果、米国の国家技術諮問委員会は1968年にレクリエーション用水域について次の基準を推奨しました。30日間の全サンプルの10％が、糞便中大腸菌群400/100mLまたは対数平均200/100mLを超えてはなりません（30日以内に最低5つのサンプルを採取した場合）。^[7]

批判にもかかわらず、EPA は 1976 年にこの基準を再度推奨しましたが、同局は以前の研究の弱点を克服するために 1970 年代と 1980 年代に多数の研究を開始しました。1986 年に、EPA は細菌学的環境水質基準の推奨事項を改訂し、大腸菌と腸球菌を含めました。

^[7]

カナダの国家農業環境基準イニシアチブは、農業現場での糞便汚染による細菌水質に関連するリスクを特徴付けるために、これらの場所を人間や家畜の発生源から離れた参照場所と比較するというアプローチをとっています。このアプローチでは、水サンプルの80％で病原体が検出されたことを示す研究に基づき、大腸菌を基準または「ベンチマーク」として使用すると、100mLあたり100 cfu未満の大腸菌が検出されたため、通常、レベルが低くなります。^[8]

細菌性胃腸炎のほとんどは、サルモネラ菌やカンピロバクターなどの食物由来の腸内微生物によって引き起こされますが、レクリエーション用の水域を介した病原体への曝露のリスクを理解することも重要です。これは特に、人や動物の排泄物が川に排出され、下流の水が水泳やその他のレクリエーション活動に使用されている流域に当てはまります。細菌以外の重要な病原体には、ロタウイルス、A型肝炎、E型肝炎などのウイルスや、ジアルジア、クリプトスポリジウム、ネグレリア・フォーレリなどの原生動物があります。^[9]環境中の病原体のモニタリングに関連する困難さのため、リスク評価は指標細菌の使用に頼ることがよくあります。

1950 年代に、米国で一連の疫学調査が行われ、天然水の水質と海水浴客の健康との関係が調べられました。調査結果によると、泳ぐ人は泳がない人に比べて、胃腸症状、眼感染症、皮膚疾患、耳鼻咽喉感染症、呼吸器疾患にかかりやすく、場合によっては大腸菌群レベルが高いほど胃腸疾患の発生率が高いことが示されましたが、これらの調査のサンプル数は少なかったです。それ以来、水泳と特定の健康結果との因果関係を確認するための調査が行われてきました。1998 年の 22 件の調査のレビュー^[10]では 、レクリエーション用水域の指標細菌数が増加するにつれて水泳者の健康リスクが増加し、調査したすべての指標の中で大腸菌と腸球菌の濃度が健康結果と最も相関していることが確認されました。調査したデータセットの大部分において、汚染された淡水で泳ぐ人と汚染されていない水で泳ぐ人の病気の相対リスク（RR）は1～2であった。同じ研究では、細菌指標はウイルス濃度とあまり相関していないと結論づけられている。^[10]

廃棄物、土壌、または水中の病原体の生存は、温度、pH、有機物含有量、湿度、光への曝露、および他の生物の存在など、多くの環境要因に依存します。^[11] 排泄物は直接堆積したり、地上の流出によって水中に流されたり、地面を通って運ばれたり、下水道管、パイプ、または排水管を介して表層水に排出されたりする可能性があります。人間への曝露のリスクには以下が必要です。

1. 病原体が生き残り、存在する;
2. 表面水中で再増殖する病原体。
3. 個人が十分な時間水に接触するか、感染量を受けるのに十分な量の水を摂取すること。

環境中の細菌の死滅率は指数関数的であることが多いため、糞便物質が水中に直接沈着すると、陸上または地下を通って運ばれる物質よりも病原体の濃度が高くなります。

一般的に、子供、高齢者、免疫不全の人は、感染症にかかるのに必要な病原体の量は少ないです。現在、人々がレクリエーション用の水域で過ごす時間と摂取する水の量を定量化できる研究はほとんどありません。一般的に、子供は泳ぐ頻度が高く、水中にいる時間が長く、頭を水中に沈める頻度が高く、飲み込む水の量も多くなります。そのため、海水は細菌が増殖しやすく、周囲に増殖するため、人々は海水に対してより恐怖感を抱くようになります。

定量的微生物学的リスク評価(QMRA) は、水中の病原体濃度と用量反応関係、および潜在的な曝露を反映するデータを組み合わせて、感染のリスクを推定します。

水への曝露に関するデータは、一般的には質問票を使って収集されますが、摂取した水の実際の測定値から決定したり、以前に公表されたデータから推定したりすることもできます。回答者は、曝露の頻度、時期、場所、飲み込んだ水の量と頭が水に浸かったことに関する詳細情報、年齢、性別、社会経済的地位、家族構成などの基本的な人口統計学的特性を報告するよう求められます。十分なデータが収集され、一般人口を代表するものであると判断されると、通常は分布に適合され、これらの分布パラメータがリスク評価方程式で使用されます。病原体の発生を示すモニタリングデータ、病原体濃度の直接測定、または指標細菌濃度から病原体濃度を導き出す推定値も、分布に適合されます。用量は、体積あたりの病原体濃度に体積を掛けて計算されます。用量反応も分布に適合させることができます。^[12]

仮定が多くなればなるほど、病原体に関連するリスクの推定は不確実になります。しかし、不確実性がかなりあるとしても、QMRA はさまざまなリスク シナリオを比較するのに適した方法です。人間と人間以外の糞便汚染源の影響を受けたレクリエーション用水への曝露による推定健康リスクを比較した研究で、QMRA は、牛の影響を受けた水への曝露による胃腸疾患のリスクは人間の排泄物の影響を受けたリスクと同程度であり、カモメ、鶏、豚の糞便の影響を受けた水よりも高いと判断しました。^[13]このような研究は、リスク管理者が限られたリソースをどのように最適に集中させるかを判断するのに役立ちますが、リスク管理者はこれらの計算に使用されるデータの限界を認識している必要があります。たとえば、この研究では、1969 年に発表された鶏の糞便中のサルモネラ菌の濃度を示すデータを使用しました。 ^{[14]細菌の定量化方法、動物の飼育方法と衛生状態の変化、およびその他の多くの要因により、}サルモネラ菌 の蔓延はその頃から変化している可能性があります。また、このようなアプローチでは、発生源から曝露点までの細菌濃度を決定する複雑な運命と輸送プロセスが無視されることが多い。

米国では、 1977年水質浄化法に基づくEPAの勧告に基づいて、各州が独自の水質基準を策定することが認められている。水質基準が承認されると、各州は汚染がどこで発生しているかを判断するために表層水を監視することが義務付けられ、点源による許容細菌負荷量の変更や、非点源による細菌負荷量を減らすための慣行の変更勧告など、水質改善の取り組みを指示するための総最大一日負荷量（TMDL）と呼ばれる流域計画が策定される。また、多くの州では、指標細菌の高レベルが検出された場合、遊泳者に警告するビーチ監視プログラムを実施している。^[15]