Одной из причин, по которой питьевую воду и общественные бассейны обрабатывают хлором, является уничтожение таких болезнетворных организмов. Хлор успешно устраняет ряд вредных патогенов, но не всех.
Cryptosporidium parvum — один из таких устойчивых к хлору патогенов.
Простейшие паразиты, которые передаются либо при прямом контакте, либо при приеме внутрь зараженной пищи или воды, C. parvum содержится в фекалиях животных и человека.
По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, C. parvum является ведущей причиной заболеваний, передающихся через воду, среди людей в Соединенных Штатах. Инфекция может привести к криптоспоридиозу, который у здоровых людей вызывает тяжелое диарейное заболевание, которое 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 важен для защиты здоровья населения.
Сейчас два инженера из Университета Лихай исследуют, как C. ооцисты parvum — стадия развития, на которой паразит существует в окружающей среде — прикрепляются к биопленкам окружающей среды, которые представляют собой микробные сообщества, которые растут на подводных поверхностях, таких как камни.
Их конечная цель — разработка улучшенного метода обнаружения, который может идентифицировать источник заражения быстрее и дешевле, чем существующие методы, предотвращая широкое распространение инфекции.
«Мы думаем, что сможем разработать поверхность, которую можно будет производить в промышленных масштабах примерно за 5 долларов», — говорит Кристен Л. Джеллисон, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии. "Это позволило бы коммунальным службам и управляющим водными ресурсами лучше защищать население от воздействия путем более частого отбора проб в большем количестве мест и получения более надежных и всеобъемлющих данных об источниках паразита в водоразделе."
Джеллисон и ее коллега по Лихай Сабрина С. Джедлика, доцент кафедры материаловедения и инженерии, первыми продемонстрировали, что прикрепление ооцист к биопленкам окружающей среды — это процесс, опосредованный кальцием, что является решающим шагом на пути к их цели.
Джеллисон и Джедлика описывают свои результаты в статье в журнале Applied and Environmental Microbiology под названием: «Прикрепление ооцист Cryptosporidium parvum псевдо-второго порядка 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 вычислить концентрацию ооцист в воде на основе количества ооцист, прикрепленных к материалу; и, во-вторых, необходимо разработать материалы, которые максимизируют прикрепление ооцист.
Такой материал для прикрепления позволит обнаружить источник заражения быстрее и дешевле, чем позволяют существующие 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 источника загрязнения.
Это может указывать на присутствие 100 ооцист выше по течению. Если мы видим прикрепление десяти ооцист, это может означать, что их 200 в основном источнике."
Исследование Джеллисона и Джедлички позволяет по-новому взглянуть на влияние кальция на прикрепление C. ооцисты parvum в биопленки окружающей среды.
Кроме того, их метод моделирования может быть использован для выяснения поведения ооцист в часто встречающихся сложных водных системах — важный шаг в обеспечении будущих инноваций в технологиях обнаружения и лечения паразитов для защиты здоровья населения.
Сопоставимые данные, намного дешевле
Идея использования биопленок окружающей среды для определения C. Источник заражения parvum впервые обнаружился у Джеллисон во время ее работы с Департаментом водоснабжения Филадельфии по обнаружению Cryptosporidium в водоразделах Виссахикона и Шуйкилла.
Одобренные Агентством по охране окружающей среды методы на основе фильтрации, используемые для проверки источников воды, были дорогими, а результаты были противоречивыми.
По словам Джеллисона, один фильтр может стоить до 120 долларов.00. Это может показаться не слишком большой суммой, но, учитывая ограниченные ресурсы многих муниципальных департаментов водоснабжения и количество фильтров, которые могут потребоваться для точного обнаружения источника C. заражение parvum — это серьезное препятствие.
«Восстановление с использованием современных методов зависит от таких факторов, как чистота воды и навыки человека, проводящего тестирование», — говорит Джеллисон. "C. parvum может присутствовать в воде в очень небольших количествах. Вы можете проверить образец объемом 10 литров и не обнаружить паразита.
Но он мог присутствовать в воде."
В своей работе по тестированию водосборов возле Филадельфии Джеллисон соскребала биопленки со скал как выше, так и ниже по течению от предполагаемого C. место заражения parvum, а затем протестировать образцы в своей лаборатории в Лихай. Со временем образцы биопленки предоставили данные, сопоставимые с утвержденным методом фильтрации, но при гораздо более низкой стоимости.
«Возможность точно протестировать воду в большем количестве мест увеличивает вероятность выявления источника загрязнения и снижает вероятность заражения тысяч людей», — говорит Джеллисон.
Образцы биопленок Джеллисона ниже по течению содержали больше ооцист, чем образцы, взятые из пород выше предполагаемых точечных источников. Однако не было возможности определить, когда ооцисты прикрепились. Подсказки, полученные с помощью биопленок, были важны для подтверждения того, что C. parvum входил в воду в определенных местах, но не очень помог в определении того, когда произошло заражение.
Если бы Джеллисон могла выяснить, когда именно прикрепляются ооцисты, она смогла бы лучше определить закономерности контаминации ооцист, что позволило бы более эффективно применять стратегии защиты источников воды.
Разработка материалов для максимального крепления
Вот где появляется Джедлика. Джедлика — специалист по материалам, которая говорит, что она «пришла из области проектирования поверхностей для выявления поведения клеток» — занимается математическим моделированием, которое позволяет дуэту вычислить эффективность прикрепления C. parvum в биопленки.
«Нам нужно понимание химии, лежащей в основе процесса связывания, чтобы знать, какие конструкции будут работать лучше всего», — говорит Едлика.
Способность Едлики рассчитывать силу связывания привела к демонстрации процесса связывания, опосредованного кальцием.
«Когда мы убрали кальций, эффективность связывания значительно снизилась, и это один из способов, которым мы узнали, что кальций важен для связывания», — говорит Джедлика.
Помимо улучшения методов обнаружения, создание дизайна поверхности, максимально увеличивающего прикрепление ооцист, имеет и другие последствия.
"Если мы сможем определить механизм привязки, который позволяет C. parvum, чтобы «прилипнуть» к биопленкам, мы можем создать улучшенные средства для его удаления », — говорит Джеллисон. "Понимание механизма может даже открыть дверь к предотвращению связывания паразита в кишечнике и заражения людей."
Среди следующих шагов команды — исследование других химических процессов, участвующих в связывании, помимо кальция.
Они также планируют протестировать свою модель в ряде условий, включая гидродинамические касательные напряжения.
Однако их конечная цель остается ясной.
«Если мы сможем помочь коммунальным предприятиям найти способ контролировать несколько точек в водоразделе вместо нескольких, они смогут более эффективно использовать свои ограниченные ресурсы», — говорит Джеллисон.
«А пока, — говорит Едлика, — мы будем продолжать задавать до смешного сложные научные вопросы."