Жизнь водораздела сложна. Водораздел - это участок земли, разделяющий меньшие водные потоки, которые впадают в более крупный общий выход - такой как река, озеро или океан. Таким образом, он часто является домом для множества диких животных, а также используется для сельскохозяйственных и рекреационных целей. Из этой сложной экосистемы появляются бактерии, вирусы и паразиты, которые иногда попадают в систему водоснабжения.
Одна из причин, по которой питьевая вода и общественные бассейны обрабатываются хлором, заключается в том, чтобы убить такие болезнетворные организмы. Хлор успешно устраняет ряд вредных патогенов, но не всех.
Cryptosporidium parvum является одним из таких устойчивых к хлору патогенов. Простейший паразит, передающийся при прямом контакте или проглатывании зараженной пищи или воды, C. parvum обнаруживается в фекалиях животных и человека.
По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, C. parvum является основной причиной болезней, передающихся через воду, среди людей в Соединенных Штатах. Инфекция может привести к криптоспоридиозу, который у здоровых людей вызывает тяжелую диарею, которая может длиться неделями. Для пожилых людей, младенцев или людей с ослабленным иммунитетом инфекция может быть смертельной.
Поскольку загрязненная питьевая вода была связана с крупными вспышками криптоспоридиоза, обнаружение и удаление C. parvum в исходных водах очень важно для защиты здоровья населения.
Теперь два инженера из Университета Лихай исследуют, как ооцисты C. parvum - стадия развития, на которой паразит существует в окружающей среде - прикрепляются к экологическим биопленкам, представляющим собой микробные сообщества, которые растут на подводных поверхностях, таких как камни. Их конечной целью является разработка улучшенного метода обнаружения, который может идентифицировать источник заражения быстрее и дешевле, чем существующие методы, предотвращая широкое распространение инфекции.
«Мы думаем, что можем разработать поверхность, которую можно будет производить в коммерческих целях примерно за 5 долларов», - говорит Кристен Л. Джеллисон, доцент кафедры гражданского и экологического проектирования. «Это позволило бы коммунальным службам и управляющим водными ресурсами лучше защитить население от воздействия за счет более частого отбора проб в большем количестве мест и получения более надежных и полных данных об источниках паразита в водоразделе».
Джеллисон и ее коллега из Лихай Сабрина С. Джедличка, доцент кафедры материаловедения и инженерии, первыми продемонстрировали, что прикрепление ооцист к экологическим биопленкам является процессом, опосредованным кальцием, что является решающим шагом на пути к их цели. Джеллисон и Джедлика описывают свои результаты в статье в Applied and Environmental Microbiology под названием: «Прикрепление ооцист Cryptosporidium parvum псевдо-второго порядка, опосредованное кальцием, к биопленкам окружающей среды."
Понимание механизма, который позволяет ооцистам прикрепляться к биопленкам, важно для расчета эффективности прикрепления или скорости, с которой паразит связывается с материалом. Понимание скорости является ключевым по двум причинам: во-первых, это может позволить рассчитать концентрацию ооцист в воде на основе количества ооцист, прикрепленных к материалу; и, во-вторых, необходимо разработать материалы, которые максимизируют прикрепление ооцист. Такой материал, позволяющий прикрепляться, позволит обнаружить источник заражения быстрее и с меньшими затратами, чем позволяют современные методы.
«Количество ооцист в данном образце биопленки показывает, сколько паразита присутствует в воде», - объясняет Джеллисон. «Например, просто для иллюстрации, скажем, что пять ооцист прикрепляются к биопленке ниже по течению от источника загрязнения. Это может указывать на присутствие 100 ооцист выше по течению. источник."
Исследование Джеллисона и Джедлики дает новое представление о влиянии кальция на прикрепление ооцист C. parvum к биопленкам окружающей среды. Кроме того, их метод моделирования может быть использован для выяснения поведения ооцист в обычно встречающихся сложных водных системах, что является важным шагом на пути к будущим инновациям в технологиях обнаружения и лечения паразитов для защиты здоровья населения.
Сопоставимые данные, гораздо дешевле
Идея использования экологических биопленок для идентификации источника заражения C. parvum впервые пришла в голову Джеллисон во время ее работы с Департаментом водоснабжения Филадельфии по обнаружению Cryptosporidium в водоразделах рек Виссахикон и Шуйкилл.
Одобренные Агентством по охране окружающей среды методы фильтрации, используемые для проверки источников воды, были дорогими, а результаты были противоречивыми. По словам Джеллисона, один фильтр может стоить до 120 долларов. Это может показаться небольшой суммой, но учитывая ограниченные ресурсы многих муниципальных отделов водоснабжения и количество фильтров, которые могут понадобиться для точного обнаружения источника C.parvum - это серьезное препятствие.
«Восстановление с использованием современных методов зависит от таких переменных, как чистота воды и навыки человека, проводящего тестирование», - говорит Джеллисон. " C. parvum может присутствовать в воде в очень малых количествах. Вы можете проверить 10-литровую пробу и не обнаружить паразита. Но он может присутствовать в воде."
В своей работе по тестированию водосборных бассейнов недалеко от Филадельфии Джеллисон соскребала биопленки со скал вверх и вниз по течению от предполагаемого места заражения C. parvum, а затем тестировала образцы в своей лаборатории в Лихай. Со временем образцы биопленки предоставили данные, сравнимые с утвержденным методом фильтрации, но при гораздо меньших затратах.
«Возможность точного тестирования воды в большем количестве мест повышает вероятность выявления источника заражения и снижает вероятность заражения тысяч людей», - говорит Джеллисон.
Образцы биопленки Джеллисона ниже по течению содержали больше ооцист, чем образцы, взятые из горных пород выше по течению от предполагаемых точечных источников. Однако не было никакого способа определить, когда ооцисты прикрепились. Подсказки, обеспечиваемые биопленками, были важны для подтверждения того, что C. parvum попадала в воду в определенных местах, но не слишком помогали в выявлении того, когда произошли события загрязнения.
Если бы Джеллисон могла выяснить, когда именно прикрепились ооцисты, она смогла бы лучше определить закономерности загрязнения ооцистами, что позволило бы разработать более эффективные стратегии защиты исходной воды.
Разработка материалов для максимальной привязанности
Именно здесь в дело вступает Джедличка. Джедличка - ученый-материаловед, который говорит, что она «пришла из области проектирования поверхностей, чтобы выявить поведение в клетках», - занимается математическим моделированием, которое позволяет дуэту рассчитать эффективность прикрепления C, parvum к биопленкам.
«Нам нужно понимать химию, лежащую в основе процесса переплета, чтобы знать, какой дизайн будет работать лучше всего», - говорит Джедлика.
Способность Джедлики рассчитать силу связывания привела к демонстрации процесса связывания, опосредованного кальцием.
«Когда мы убрали кальций, эффективность связывания значительно снизилась, и это один из способов узнать, что кальций важен для связывания», - говорит Джедлика.
Помимо вклада в улучшение методов обнаружения, создание дизайна поверхности, обеспечивающего максимальное прикрепление ооцист, имеет и другие последствия.
«Если мы сможем определить механизм связывания, который позволяет C. parvum «прилипать» к биопленкам, мы сможем создать улучшенные средства для его удаления», - говорит Джеллисон. «Понимание механизма может даже открыть двери для предотвращения связывания паразита в кишечнике и заражения людей».
Среди следующих шагов команды будет исследование других химических процессов, участвующих в связывании, в дополнение к кальцию. Они также планируют протестировать свою модель в ряде условий, включая гидродинамические напряжения сдвига.
Их конечная цель, однако, остается ясной.
«Если мы сможем помочь коммунальным службам найти способ мониторинга нескольких точек водораздела, а не только нескольких, они смогут более эффективно использовать свои ограниченные ресурсы», - говорит Джеллисон.
"А пока, - говорит Джедлика, - мы будем продолжать задавать смехотворно трудные научные вопросы".