Quantitative microbial risk assessment for drinking water : dose-response theory and virus filtration dynamics

Abstract

Transmission of waterborne disease through drinking water remains a public health concern, even in developed countries. This is evidenced not only by the occurrence of small and large disease outbreaks in modern water supply systems but also by studies that indicate a contribution of drinking water to endemic gastrointestinal infectious disease. In its guidelines for drinking water quality, the World Health Organization promotes quantitative microbial risk assessment (QMRA) as a tool for assessing health risks from pathogenic microorganisms and developing water quality criteria based on quantified health risk targets. In QMRA, exposure to pathogens is estimated by modeling the concentration of pathogens from source waters to the consumer’s tap. Exposure is subsequently translated into health risks through dose-response relations and compared to a health risk target. Conceptually, QMRA carries the potential to overcome existing challenges associated with low sensitivity epidemiological methods and the somewhat obscure health risk relevance of fecal indicator organisms. However, its application is still limited by a lack of fundamental scientific understanding in certain areas as well as the lack of site-specific and pathogen-specific data. This thesis contributes to the advancement of QMRA through detailed investigations of (1) mathematical properties of the dose-response relations that are currently in use, and (2) dynamic effects in deep bed filtration on the removal of viruses (primarily) and bacteria from drinking water, and the associated implications for risk assessment. There is also (3) a study on metabolic lag effects in bacterial growth, which could be relevant in some QMRA settings.

Spredning av vannbåren sykdom med drikkevann representerer en stadig folkehelseutfordring, også i høyt utviklede land. Dette viser seg ikke bare gjennom små og store sykdomsutbrudd i moderne vannforsyningssystemer, men også gjennom studier som anslår at drikkevann bidrar til forekomsten av endemisk sykdom fra mage-tarm-infeksjoner. I sine retningslinjer for drikkevannskvalitet fremhever Verdens helseorganisasjon kvantitativ mikrobiell risikoanalyse (QMRA) som et verktøy for å vurdere helserisiko fra patogene mikroorganismer og for å utvikle kriterier for vannkvalitet basert på tallfestede mål for helserisiko. I QMRA estimeres forbrukerens eksponering for patogener ved å modellere konsentrasjonen av patogener i vannet fra råvann til tappepunkt. Eksponeringen blir deretter omsatt til helserisiko ved hjelp av dose-respons-funksjoner og sammenlignet med et risikomål. QMRA har et teoretisk potensial til å omgå eksisterende begrensninger knyttet til lav sensitivitet i epidemiologiske metoder og den noe uklare sammenhengen mellom helserisiko og fekale indikatororganismer. Anvendelser begrenses imidlertid fortsatt av manglende vitenskapelig forståelse på enkelte områder, samt manglende sted-spesifikke og patogen-spesifikke data. Denne avhandlingen bidrar til videreutviklingen av QMRA gjennom detaljerte studier av (1) matematiske egenskaper ved dose-respons-funksjonene som benyttes pr. i dag og (2) dynamiske effekter ved dybdefiltrering på fjerningen av virus (primært) og bakterier i drikkevannsbehandling, med implikasjoner for risikovurderinger. Avhandlingen inneholder også (3) en studie av metabolske forsinkelseseffekter i bakterievekst, som vil kunne være relevant i enkelte QMRA-settinger.