EVALUACION CUANTITATIVA DE RIESGO MICROBIANO

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

DICTADO POR: MATTHEW E. VERBYLA

“EVALUACION CUANTITATIVA DEL RIESGO POR

CONTACTO DE Pseudomona aeruginosa y Staphylococcus

aureus EN AGUA TRATADA POR EL METODO SODIS

PARA USO DOMESTICO.”

Realizado por:

Echeverría Rojas Ivette

Peredo Pérez Sonia

Quiroz Torrico Victor Hugo

Veizaga Salinas Andrea

29 de Agosto 2014

Cochabamba-Bolivia

EVALUACION CUANTITATIVA DEL RIESGO POR CONTACTO DE

Pseudomona aeruginosa y Staphylococcus aureus EN AGUA TRATADA POR EL

METODO SODIS PARA USO DOMESTICO

1. RESUMEN

El agua se constituye en el principal elemento de transmisión de enfermedades infecciosas

causadas por microorganismos tales como Staphylococcus aureus y Pseudomona

aeruginosa. SODIS es un método alternativo de desinfección solar de fácil aplicación y

bajo costo que se está aplicando en comunidades rurales carentes de servicios de agua

potable. Por lo tanto es importante realizar una evaluación cuantitativa del riesgo

microbiano que representan estas bacterias en aguas tratadas con este método para uso

doméstico. Empleando las simulaciones del método de Montecarlo a una función de

concentración encontrada con el empleo del modelo exponencial y la ecuación de

inactivación de microorganismos en función de la radiación y el tiempo de exposición, se

encontró que la concentración promedio que corresponde a una probabilidad máxima de

infección de 1 individuo en 10000 fue de 77 UFC/ml para Pseudomona Aeruginosa y de

3E+09 UFC/ml para Staphylococcus aureus. Al ajustar los datos experimentales de dosis-

reacción a los modelos exponencial y Beta-Poisson, se encontró que este último tiene un

mejor ajuste para ambos microorganismos. Considerando que la eficiencia de inactivación

de microorganismos por el método SODIS es del 99.99% se establece que las

concentraciones promedio de microorganismos encontradas necesarias para causar una

infección representan un riesgo mínimo de infección por contacto, por lo que se recomienda

realizar modelaciones para determinar dosis infecciosas por ingesta.

2. INTRODUCCION

En Bolivia 40 % de la población no tiene acceso al agua potable y el 60 % de la población

que tiene recibe este servicio de manera inadecuada y de baja calidad, y sobre el

alcantarillado cerca del 57 % de la población no tienen acceso a un buen servicio

(Viceministerio de Servicios Básicos, 2002).

Las fuentes de abastecimiento de agua para uso y consumo en el área rural, están

constituido por arroyos, ríos, agua de lluvia, lagunas y otros con alto riesgo de transmisión

de enfermedades infecciosas siendo así uno de los grupos más vulnerables los niños y los

agricultores por contacto directo del agua. (Kehoe et al. 2001)

Frente a estos problemas y la falta de acceso a agua potable segura, existen alternativas de

desinfección que permiten contar con mejor calidad de agua, constituyéndose una de estas

el método SODIS (Desinfección Solar del Agua). (CASA 2005)

El método SODIS es utilizado para eliminar los microorganismos patógenos existentes en

el agua, así de esta manera mejorar la calidad de agua que consume la población. Estos

microorganismos son sensibles a la radiación de la luz UV-A y la temperatura, su

inactivación es proporcional al tiempo de exposición a la radicación UV-A. Para el

tratamiento se utilizan botellas de plástico PET transparente que son expuestas por ocho

horas a la luz solar en una superficie reflectora (calaminas metálicas corrugadas). (CASA

2005)

Entre los microorganismos de transmisión hídrica de importancia para este estudio se

consideraron a Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa por ser patógenos

oportunistas que causan una serie de enfermedades como infecciones en piel, lesiones en

quemaduras e infecciones en los ojos (Iglewski, 2002), así mismo la alta resistencia de

Pseudomona aeruginosa a procesos de desinfección (Dejung et al. 2007).

Este estudio pretende evaluar el riesgo de infección por Pseudomona aeruginosa y

Staphylococcus aureus en aguas de consumo tratada por el método SODIS, aplicando el

método Monte Carlo para determinar la concentración promedio que corresponde a la

probabilidad máxima de infección por estos microorganismos. Por otro lado se buscan

ensayar datos experimentales para determinar el mejor modelo de ajuste.

3. MÉTODOS

Se utilizó el método de Montecarlo para determinar una concentración promedio (UFC/ml),

que corresponda a una probabilidad máxima de infección de 1 de cada 10000 personas.

Los modelos recomendados para la descripción de dosis-respuesta de Pseudomona

aeruginosa son el modelo exponencial y el modelo de Beta-Poisson, el modelo

recomendado para Staphylococcus aureus es el modelo exponencial.

Se adoptó el siguiente modelo exponencial para establecer una relación que permita estimar

la concentración promedio para ambos microorganismos:

𝑃 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑠𝑒 = 1 − exp(−𝑘𝑑 ∗ 𝐷) (1)

𝑃 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑠𝑒 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎 (𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑜 1

10000)

𝑘𝑑 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑣𝑖𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐷 = 𝐷𝑜𝑠𝑖𝑠

Considerando que la concentración de los microorganismos de este estudio, en agua tratada

por el método SODIS es una función de la sinergia entre el tiempo de exposición y la dosis

de radiación, se adoptó el siguiente modelo exponencial para establecer una relación que

permita estimar la concentración promedio:

𝐶𝑓 = 𝐶𝑜 ∗ 𝑒−𝑘𝑠∗𝑡 (2)

𝐶𝑓 = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑆𝑂𝐷𝐼𝑆 (UFC/mL)

𝐶𝑜 = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎 (UFC/mL)

𝑘𝑠 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑣𝑖𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (1/h)

𝑡 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (h)

3.1 Pseudomona Aeruginosa

Se tiene una relación establecida de manera experimental entre la concentración de

Pseudomona aeruginosa (UFC/ml) y la cantidad de bacterias adheridas en lentes de

contactos (UFC). (Tamrakar 2003)

𝐷 = 1.7999 ∗ 𝐶𝑓0.7728 (3)

𝐷 = 𝐷𝑜𝑠𝑖𝑠

𝐶 = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑈𝐹𝐶

𝑚𝐿)

Combinando las ecuaciones (1), (2) y (3) se obtiene que:

𝐶0 = 𝑒

1

0.7728ln

5.56𝑥10−5

𝑘𝑑 − 𝑘𝑠∗𝑡

(4)

Ecuación que es empleada en el método de Montecarlo para el cálculo de una

concentración promedio que puede generar una respuesta infectiva.

3.2 Staphylococcus aureus

Se estableció a partir de un análisis dimensional que la dosis infecciosa de Staphylococcus

aureus depende de la concentración de microorganismos en el agua (UFC/ml) el volumen

de agua que se usa, el área de contacto y una fracción de agua que queda adherida en el área

de contacto.

𝐷 = 𝐶𝑓 ∗ 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑓 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝑈𝐹𝐶

𝑚𝐿) (5)

𝐴𝑟𝑒𝑎 = 𝑝 ∗ 𝐻 (6)

Combinando las ecuaciones (1), (2), (5) y (6) se tiene que:

𝐶0 = −ln 1−𝑃

𝐾𝑑∗

1

𝑒−𝐾𝑠∗𝑡∗𝑉∗𝑓∗𝑝∗𝐻 (7)

𝐶0 = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑆. 𝑎𝑢𝑟𝑒𝑢𝑠 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎 (𝑈𝐹𝐶/𝑚𝐿)

𝑃 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎 (𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑜 1/10000)

𝐾𝑑 = 𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑣𝑖𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (1/𝑕)

𝐾𝑠 = 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (1/𝑕)

𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑕)

𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑠𝑜 𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 (𝑚𝐿)

𝑓 = 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 (1/𝑐𝑚2)

𝑝 = 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥. 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 (𝑐𝑚)

𝐻 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 (𝑐𝑚)

Se ensayaron además los datos de un experimento de dosis-reacción publicados por

Tamrakar (2003) para determinar el mejor ajuste del modelo para el caso de ambos

microorganismo.

4. RESULTADOS

4.1 Pseudomona Aeruginosa

Empleando la función de concentración encontrada a partir de la combinación del modelo

exponencial y otras relaciones útiles; se tiene para Pseudomona aeruginosa:

𝐶0 = 𝑒

1

0.7728ln

5.56𝑥10−5

𝑘𝑑 − 𝑘𝑠∗𝑡

(4)

Parámetro Unidades Distribución Min Max

Concentración en agua cruda UFC/ml ?? ??

Probabilidad de supervivencia

Exponencial 8.80E-08

Taza de inactivación h-1

0.75

Tiempo h Uniforme 4 8

El valor de la probabilidad de supervivencia, Kd, se obtiene de la literatura siendo,

calculado por Tamrakar (2013), quien hallo que el mejor valor de Kd para el modelo

exponencial de 8.8E-08.

El valor de la tasa de inactivación de Pseudomona aeruginosa se obtuvo también de la

literatura. En una investigación realizada en CASA por Iriarte y col. (2005), en donde se

observó que el número de UFC/ml viable se redujo de 1.7E+06 hasta 12 UFC/ml en un

tiempo de exposición de 8 h.

Figura 1. Efecto de la UV-A sobre P. aeruginosa en un período de 8 horas. Fuente: CASA 2005.

Por lo que: 𝑘𝑠 =6 𝑢𝑛𝑖𝑑 .𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑔

8 𝑕= 0.75 𝑕−1

Se consideró un tiempo mínimo de exposición a la radiación solar de 4 h, y un tiempo

máximo de exposición de 8 h antes del consumo del agua.

Empleando el método de Montecarlo, la concentración promedio hallada fue:

Concentración [UFC/ml] 77 UFC/ml

Por otro lado, se utilizaron los datos de un experimento dosis – reacción, Tamrakar (2013),

para observar cual era el mejor modelo al que los datos se ajustaban:

Kd [1/h] 2,779E-5

DosisVoluntarios

Infectados

Voluntarios

Totalfobservado

Infectados

fanticipado

Infectados

Desviacion

(+)

Desviacion

(-)

fanticipado

Infectados

Desviacion

(+)

Desviacion

(-)

63,2 0 5 0,000 0,002 0,00 0,02 0,020 0,00 0,20

2220 2 5 0,400 0,060 7,60 -2,69 0,326 0,81 -0,69

13200 3 5 0,600 0,307 4,02 -2,20 0,599 0,01 -0,01

78000 3 5 0,600 0,886 -2,34 5,01 0,782 -1,59 2,42

462000 5 5 1,000 1,000 0,00 0,00 0,883 1,24 0,00

xi ni DESVIACION TOTAL 9,41 DESVIACION TOTAL 2,39

Modelo k ln(k) α N50 ln(α) ln(N50) k - m χ2 Critico valor p

Exponencial 2,7790E-05 -10,49 - - - - 4 9,49 5,2E-02

Beta-Poisson - - 0,35 6570,69 -1,04 8,79 3 7,81 0,495

Experimento 297 (Tamrakar et al. 2003) Exponencial Beta Poisson

Figura 2. Dosis vs Probabilidad de infección Pseudomona aeruginosa.

4.2 Staphylococcus aureus

La Función de concentración encontrada a partir de la combinación del modelo exponencial

y otras relaciones útiles; se tiene para Staphylococcus aureus:

𝐶0 = −ln 1−𝑃

𝐾𝑑∗

1

𝑒−𝐾𝑠∗𝑡∗𝑉∗𝑓∗𝑝∗𝐻

Con esta ecuación podemos calcular la concentración promedio en agua cruda que

corresponde a una probabilidad máxima de infección por medio de contacto del agua con la

piel, los valores que reemplazaremos son los siguientes:

Parámetro Unidades Distribución Min Max

Concentración UFC/mL ?? ??

Probabilidad 0,0001

Probabilidad de supervivencia Kd 1/h 7,64E-08

Tasa de inactivación, Ks 1/h 4

Tiempo H 4 8

Volumen de agua utilizado mL Uniforme 10000 15000

Fracción 0,05

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

0,0

1

0,1 1

10

10

0

10

00

10

00

0

10

00

00

10

00

00

0

10

00

00

00

10

00

00

00

0Pro

bab

ilid

ad d

e In

fecc

ion

Dosis

Dosis-Reaccion Pseudomona aeruginosa

Experimento 297 (Tamrakar et al. 2003)ModeloExponencial

Perímetro de una persona cm Uniforme 60 80

Altura de una persona cm Uniforme 160 180

El valor de la probabilidad de supervivencia, Kd, se obtiene de la bibliografía siendo el

calculado por Tamrakar (2013), quien hallo que el mejor valor de Kd para el modelo

exponencial es de 7,64E-08.

El valor de la tasa de inactivación, Ks, de Staphylococcus aureus lo obtenemos de

bibliografía asumiendo que tiene un comportamiento similar al del Staphylococcus

epidermis, el dato lo sacamos de una investigación realizada por Boyle (2008) en donde se

observó que el número de UFC/mL viable se redujo en 4 Log (Nt/N0) en un tiempo de

exposición de 1 h.

Figura 3. Inactivación S. aureus vs Tiempo de exposición solar acumulado. Fuente: Boyle

et al. 2008.

Por lo que:

𝑘𝑠 =4 𝑢𝑛𝑖𝑑. 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑔

1 𝑕= 4𝑕−1

El volumen de agua para uso doméstico que utilizan los beneficiados con el método SODIS

está en el rango de 10 a 15 L sin embargo la fracción de agua que queda en contacto con su

piel es de aproximadamente el 5 %

Para el cálculo del área de contacto del agua con la piel de una persona supondremos que

una persona puede ser representada aproximadamente como un cilindro de altura y

perímetro medibles.

Se consideró un tiempo mínimo de exposición a la radiación solar de 4 h y un tiempo

máximo de exposición de 8 h antes del consumo del agua.

Empleando el método de Montecarlo, la concentración promedio hallada fue:

Concentración [UFC/ mL] 2,93E+09

Utilizando los datos de un experimento dosis – reacción, Tamrakar (2013), para observar

cual era el mejor modelo al que los datos se ajustaban se obtuvo lo siguiente:

Kd [1/h] 8,735E-5

DosisVoluntarios

Infectados

Voluntarios

Totalfobservado

Infectados

fanticipado

Infectados

Desviacion

(+)

Desviacion

(-)

fanticipado

Infectados

Desviacion

(+)

Desviacion

(-)

2,43E+06 4 20 0,200 0,191 0,36 -0,35 0,426 -6,06 10,65

6,27E+05 8 20 0,400 0,053 32,25 -10,95 0,175 13,19 -7,63

1,27E+07 13 20 0,650 0,670 -0,80 0,83 0,746 -3,59 4,50

2,50E+07 14 20 0,700 0,887 -6,64 11,76 0,832 -4,82 6,92

3,34E+07 19 20 0,950 0,946 0,16 -0,16 0,860 3,80 -2,07

3,91E+07 20 20 1,000 0,967 1,34 0,00 0,873 5,44 0,00

3,900 DESVIACION TOTAL 27,81 20,33

ni xi

Modelo k ln(k) α N50 ln(α) ln(N50) k - m χ2 Critico valor p

Exponencial 8,735E-08 -16,25 - - - - 5 11,07 4,0E-05

Beta-Poisson - - 0,67 3411086,12 -0,40 15,04 4 9,49 1,0E+00

Experimento 278 (Tamrakar et al, 2003) Exponencial Beta Poisson

Figura 4. Dosis vs Probabilidad de infección Pseudomona aeruginosa

5. RECOMENDACIONES

Los resultados de la evaluación de riesgo demuestran que se requieren de

concentraciones elevadas de Staphylococcus aureus y Pseudomona aeruginosa, para

representar una situación de riesgo, las mismas que no se encuentran de manera típica en

aguas tratadas por lo que se recomienda realizar un análisis de riesgo en cuerpos de agua

natural.

En el caso de Pseudomona aeruginosa la literatura indica que tanto el modelo

exponencial como el de Beta-Poisson se ajustan bien a los datos experimentales y para

Staphylococcus aureus se recomienda el empleo del modelo exponencial. En ambos casos

se empleó el modelo exponencial para encontrar una función de la concentración que

represente el máximo de probabilidad de infección, sin embargo al ajustar los datos

experimentales a ambos modelos, se encontró que el modelo de Beta-Poisson tiene un

mejor ajuste por lo que se recomienda utilizar este modelo para encontrar una función de

concentración que represente de mejor manera la probabilidad máxima de infección.

Se recomienda modelar ensayos de dosis-reacción por ingestión de estos

microorganismos, considerando que la dosis de riesgo obtenida en el presente estudio no

representa el riesgo por ingestión sino el riesgo por contacto del agua con la piel.

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

1,0

0E-

02

1,0

0E-

01

1,0

0E+

00

1,0

0E+

01

1,0

0E+

02

1,0

0E+

03

1,0

0E+

04

1,0

0E+

05

1,0

0E+

06

1,0

0E+

07

1,0

0E+

08Pro

bab

ilid

ad d

e In

fecc

ion

Dosis

Dosis-Reaccion Staphylococcus aureus

Experimento 278 (Tamrakar et al, 2003)ModeloExponencial

6. BIBLIOGRAFIA

Boyle M., Sichel C., Fernandez-Ibanez P., Arias-Quiroz G.B., Iriarte-Puna

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Torrico A., Fenandez W., Iriarte M., Birrer C., Stahel W., Wegelin A. 2007 Effect

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