Ανάπτυξη και αξιολόγηση μαθηματικού μοντέλου πρόβλεψης της θερμικής αδρανοποίησης της Legionella pneumophila σε δίκτυα νερού
Creators: name: Παπαγιανέλη, Στυλιανή Δήμητρα Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Λεγεωνέλλα
Θερμική αδρανοποίηση
Μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης
Legionella pneumophila
Thermal inactivation
Predictive model

description: To δυνητικά παθογόνο βακτήριο Legionella pneumophila αποτελεί έναν από τους βασικότερους κινδύνους των δικτύων νερού. Ένα από τα βασικότερα μέτρα ελέγχου του παθογόνου αποτελεί η θερμική επεξεργασία του νερού των σωληνώσεων. Με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία, παρά την πληθώρα δεδομένων για τη θερμική αδρανοποίηση του μικροοργανισμού, δεν υπάρχει διαθέσιμο κάποιο εργαλείο πρόβλεψης της επίδρασης της θερμοκρασίας στον έλεγχο του παθογόνου. Η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, το οποίο θα είναι ικανό να «μεταφράζει» με ακρίβεια τα χρονοθερμοκρασιακά δεδομένα του νερού των σωληνώσεων κατά τη θέρμανση σε όρους επιβίωσης της L. pneumophila, θα αποτελούσε ένα δραστικό εργαλείο για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της παρουσίας του παθογόνου. Με βάση τα παραπάνω αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός μαθηματικού μοντέλου πρόβλεψης της θερμικής αδρανοποίησης της L. pneumophila σε δίκτυα νερού. Οι επιμέρους στόχοι της διατριβής ήταν i) η μελέτη της κινητικής συμπεριφοράς της Legionella pneumophila σε νερό κάτω από συνθήκες θέρμανσης, ii) η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου για την επίδραση της θερμοκρασίας στη συμπεριφορά της Legionella pneumophila σε νερό και iii) η αξιολόγηση της ικανότητας του αναπτυγμένου μοντέλου να προβλέπει τη συμπεριφορά του παθογόνου κάτω από δυναμικές συνθήκες θερμοκρασίας, οι οποίες προσομοιάζουν τη θερμική εξυγίανση του νερού στις σωληνώσεις δικτύων. Εξετάστηκε η συμπεριφορά της L. pneumophila σε νερό «μοντέλο» (εμπορικά διαθέσιμο εμφιαλωμένο φυσικό μεταλλικό νερό), σε σταθερές θερμοκρασίες. Όπως αναμενόταν, η επίδραση που ασκεί η θέρμανση αυξήθηκε με την αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου, δηλαδή του νερού. Τα δεδομένα που λήφθηκαν από τα πειράματα στις σταθερές θερμοκρασίες προσαρμόστηκαν σε κατάλληλο πρωτογενές μοντέλο αδρανοποίησης για τον υπολογισμό της τιμής D (D-value), που εκφράζει το χρόνο που απαιτείται για τη μείωση του πληθυσμού του παθογόνου κατά ένα λογαριθμικό κύκλο. Στη συνέχεια, οι τιμές D για τις διαφορετικές θερμοκρασίες προσαρμόστηκαν σε δευτερογενές μοντέλο, με στόχο τη μαθηματική περιγραφή της επίδρασης της θερμοκρασίας στην αδρανοποίηση του βακτηρίου. Ο συντελεστής συσχέτισης του δευτερογενούς μοντέλου που υπολογίστηκε έδειξε ικανοποιητική προσαρμογή στα δεδομένα. Παράλληλα προσδιορίστηκαν οι παράμετροι του μοντέλου. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση του μαθηματικού μοντέλου πρόβλεψης της αδρανοποίησης της L. pneumophila, μέσω της σύγκρισης των προβλέψεών του με την παρατηρούμενη μείωση του πληθυσμού του βακτηρίου σε νερό υπό δυναμικές συνθήκες θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αξιολόγησης έδειξαν ότι το μοντέλο παρέχει ικανοποιητική ακρίβεια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δραστικό εργαλείο για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της ασφάλειας του νερού. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη πως τα δίκτυα νερού αποτελούν πολύπλοκα συστήματα, το μοντέλο μπορεί να εφαρμοστεί για να προβλέψει τις χρονοθερμοκρασιακές συνθήκες ώστε να πληρούνται τα νομοθετικά κριτήρια. Έτσι, μπορεί να επιλεχθεί ο κατάλληλος συνδυασμός θερμοκρασίας και χρόνου, τόσο για την απλή διατήρηση του νερού στο σύστημα, αλλά και για την εξυγίανσή του. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη παρέχει ποσοτικά δεδομένα για τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αδρανοποίηση της L. pneumophila σε νερό, καθώς και εκτιμήσεις για τη συμπεριφορά του παθογόνου σε συνθήκες θέρμανσης. Τα αποτελέσματα αυτά δύνανται επίσης να αποτελέσουν την αφετηρία για την ανάπτυξη ενός μοντέλου επικινδυνότητας της παρουσίας του βακτηρίου στα συστήματα νερού.
description: Legionella pneumophila is one of the main risks of water systems. Thermal treatment is considered to be one of the main control measures for the presence of the pathogen in pipe water. Even though there are a number of studies focused on the thermal inactivation of the microorganism, there is not a mathematical model predicting the effect of temperature on the pathogen’s control. The development of a mathematical model capable of accurately translating the time-temperature data of the water of the pipes during heating into survival conditions of L. pneumophila would be an effective tool for monitoring and controlling its presence. Based on the above, the subject of this thesis was the development and validation of a predictive model for the thermal inactivation of L. pneumophila in water. The individual goals of the thesis were i) to study the kinetic behavior of inoculated L. pneumophila in water under thermal conditions, ii) to develop a mathematical model describing the effect of temperature on L. pneumophila behavior in water and iii) to evaluate the ability of the developed model to predict the behavior of the pathogen under dynamic thermal conditions that may occur during thermal disinfection of the water. Α study of the kinetic behavior of L. pneumophila in model water (commercially available natural mineral bottled water) at static temperatures was performed. As expected, the heating effect increased as the water temperature elevated. The data obtained from the experiments at static temperatures were fitted to appropriate primary inactivation models, in order to determine the D-value, which expresses the time required to reduce the pathogen’s population by one logarithmic cycle. The D-values for the different temperatures were then adjusted to a secondary model with the aim of mathematically describing the effect of temperature on bacterial inactivation. The correlation coefficient of the secondary model was estimated, indicating satisfactory adjustment of the model. The model parameters were also estimated. In the second part of the thesis, the developed mathematical model was validated based on the comparison of its own predictions and the observed inactivation of the pathogen in water under dynamic temperatures. Based on the above results the model provides satisfying accuracy and it can be used as an effective tool for controlling and monitoring water safety. Taking into consideration the fact that water systems are very complex, the problem of colonization by the pathogen is difficult to address. As a result, the developed model can be applied in order to predict the time-temperature conditions that assure compliance with the safety criteria. Consequently, the appropriate time and temperature conditions for the preservation and the thermal disinfection of the water can be selected, thus achieving water safety. In conclusion, the present study provides quantitative data on the thermal inactivation of L. pneumophila in water, as well as predictions regarding the bacterium’s behavior under such conditions. These data may also be the starting point for the development of a risk assessment model for the presence of the pathogen in water systems.