Introduktion till QMRA

Kvantitativ mikrobiell riskbedömning (QMRA) är ett ramverk och tillvägagångssätt som sammanför information och data med matematiska modeller för att bedöma riskerna att människor exponeras för mikroorganismer samt att möjliggöra framtagandet av strategier för att reducera riskerna.

Medan de flesta mikroorganismer är ofarliga eller till och med nödvändiga, finns det även mikroorganismer som kan orsaka sjukdom, s.k. patogena mikroorganismer eller patogener. Patogenerna kan sinsemellan skilja sig åt avsevärt avseende bl.a. deras fysiska egenskaper, rörelse och överlevnad i miljön samt förmåga att orsaka infektion och sjukdom. Även tillämpliga metoder för att avlägsna eller avdöda patogener kan skilja sig åt beroende på typ av patogen.

QMRA är applicerbart på många typer av källor till förekomst av patogener såsom livsmedel (ex dricksvatten och mat), utomhusmiljöer (ex badplatser och luft) och inomhusmiljöer (ex luft och ytor inom sjukhus, lokaler och olika transportmedel).

QMRA-metoden används av dricksvattenproducenter i flera länder, men på lite olika sätt. I till exempel Nederländerna måste dricksvattenproducenterna återkommande göra en QMRA för sitt vattenförsörjningssystem. Världshälsoorganisationen (WHO) förespråkar QMRA i sin vägledning för dricksvattenkvalitet, där det ingår som en del i WSP (Water Safety Plan).

I Sverige har det utvecklats två hjälpmedel för värdering av mikrobiologiska risker vid dricksvattenproduktion; Mikrobiologisk barriäranalys (MBA-verktyget) och Kvantitativ mikrobiologisk riskbedömning (QMRA-verktyget). Både hjälpmedlen har börjat användas vid de svenska vattenverken och Svenskt Vatten håller återkommande kurser i MBA. MBA är enklare att använda, men för en fördjupad analys av infektionsrisker i svenska dricksvattensystem fordras QMRA.

”Quantitative microbial risk assessment (QMRA) is a framework and approach that brings information and data together with mathematical models to address the spread of microbial agents through environmental exposures and to characterize the nature of the adverse outcomes. While most microbes are harmless or beneficial, some are extremely dangerous – we call these Biological Agents of Concern (BAC). All BAC can cause serious and often fatal illness, but they differ greatly in their physical characteristics, movement in the environment, and process of infection. Ultimately the goal in assessing risks is to develop and implement strategies that can monitor and control the risks (or safety) and allows one to respond to emerging diseases, outbreaks and emergencies that impact the safety of water, food, air, fomites and in general our outdoor and indoor environments.”

Källa

År 2006 beviljade Svenskt Vatten Utveckling medel för ett projekt initierat av Stockholm Vatten, Norrvatten, DHI och SMI, som syftade till att skapa ett verktyg, avsett för svenska dricksvattenproducenter, som skulle underlätta den mikrobiologiska riskbedömningen i svenska vattenförsörjningssystem. Man valde att använda QMRA-metodiken och skapade utifrån detta ett datorbaserat verktyg som initialt kallades för ”MRA-verktyget”. Numera kallas verktyget QMRA såsom det används internationellt, vilket på svenska översätts till kvantitativ mikrobiologisk riskbedömning. Ursprunget till förkortningen QMRA är Quantitative Microbial Risk Assessment.

Man kan som dricksvattenproducent aldrig fullt ut garantera att dricksvattnet inte innehåller patogena mikroorganismer men man kan vara mer eller mindre säker. Ett sätt att blir mer säker är att arbeta proaktivt och systematiskt genom framtagande av t.ex. vattenskyddsområde, risk- och sårbarhetsanalyser, HACCP och analyser med verktygen MBA och QMRA.

I Sverige finns inga krav eller rekommendationer att dricksvattenproducenter använder QMRA-verktyget, däremot lyfts det fram av Livsmedelsverket i sin Kontrollwiki (tidigare Vägledning till dricksvattenföreskrifterna).

Syftet med det svenska QMRA-verktyget är att på ett användarvänligt sätt tillgängliggöra QMRA-metodiken och den senaste vetenskapligt publicerade kunskapen inom mikrobiologisk riskbedömning, för Sveriges dricksvattenproducenter.

I dagsläget finns flera QMRA-verktyg för olika tillämpningar; ytvattenverk, grundvattentäkter och små avlopp. Då QMRA-verktyget för ytvattenverk var det första verktyget som togs fram, kallas detta för enbart QMRA-verktyget. Övriga verktyg benämns med tillhörande tillämpning; QMRA-verktyget för grundvattentäkter respektive QMRA-verktyget för små avlopp. Utöver dessa finns även ett s.k. kvotmodell-verktyg framtaget. Samtliga verktyg nås via DRICKS hemsida.

QMRA-verktyget kan användas för att undersöka följande frågeställningar:

• Är den mikrobiologiska risken med en given vattenförsörjning vid normala driftbetingelser accepterbar? Att kunna svara på den frågan är den långsiktiga målsättningen med utvecklingen av QMRA-modeller. I nuläget är kunskapsbrister så stor att resultatet ”risken att bli infekterad” är behäftat med betydande osäkerhet.
• Vilka barriärer är mest kritiska att upprätthålla? Vilka är de största källorna till variation?
• Vad är effekten av en incident i beredningen? Vad är effekten av riskhändelser i vattentäkten, t.ex. bräddningar?
• Vilka kritiska gränser måste man sikta mot, generellt och individuellt?
• Vilka åtgärder, t.ex. i form av ytterligare behandlingsprocess, är mest effektiva för att förbättra den mikrobiologiska barriären?

En QMRA ställer krav på en mängd indata. För att kunna uppnå önskat resultat krävs kunskap om förekomst av patogener i råvatten, avskiljningen av respektive patogen i olika beredningssteg, konsumtionsmönster samt dos-responssamband för respektive patogen. Man måste dessutom ha kunskap om variationen och spridningen i respektive steg. Kvaliteten på indata avgör som alltid kvaliteten på utdata.

Första steget är att beskriva den dominerande driftbetingelsen som råder större delen av tiden, den genomsnittliga eller normala situationen. För att erhålla ett gott resultat i slutändan krävs en detaljerad beskrivning av processen tillsammans med noggranna dataset. Risker associerade med normaldrift skall minimeras och bör vara de första att undersökas med avseende på acceptans.

Andra steget är att göra en känslighetsanalys baserat på normaldriften. Varje processteg sätts till sitt värsta tänkbara läge och modellen körs igen. Denna procedur tvingar användaren att kritiskt granska kritiska styrpunkter och ger användaren en möjlighet att identifiera svagheter i reningsprocessen.

Som tredje steg bör händelser som avviker från normaldrift och som medför en ökad risk för konsumenten simuleras. För att kunna simulera extrema händelser kan det vara bra att sammanställa information om lokala incidenter med avseende på händelse (t.ex. avbrott på klorering), tidsperiod (hur länge varade avbrottet) och övriga egenskaper för ändelsen (t.ex. strömavbrott). Detta underlag kan vara svårt att samla in men kan ge värdefull information om processens robusthet.

Viktigt att komma ihåg är att en riskanalys inte kan förutsättas generera några absoluta värden, då kvaliteten på indata styr kvaliteten på utdata. Kvaliteten på indata kan vara knepig då underlaget för patogener i vattentäkten oftast är tunt. Däremot är möjligheterna till relativa jämförelser goda, dvs. man kan undersöka vad förändringar i råvattentäkt eller process innebär för kvaliteten på konsumentens dricksvatten och därmed risken för smitta.

En av de största styrkorna med QMRA-verktyget är att användaren kan analysera både bedömd normaldrift och olika tänkbara scenarier. Det rekommenderas även att analys görs för bedömning av beredningens begränsningar, dvs exempelvis vilken högsta patogenhalt som vattenverket klarar vid normal drift eller vid händelser med nedsatt barriärverkan, alternativt hur dåligt beredningsstegen (inkl. vilka och hur länge) kan fungera och ändå ge ett mikrobiologiskt säkert dricksvatten vid normal respektive förhöjd patogenhalt i råvattnet.

QMRA-verktyget utgör även ett bra hjälpmedel för att lära känna sitt vattenverks styrkor och brister avseende mikrobiologiska barriärer.

Dricksvatten är vårt viktigaste livsmedel och utgör den mest kritiska resursen för vår överlevnad. Ett välfungerande samhälle förutsätter således en stabil tillgång till rent dricksvatten.

Framställningen av rent dricksvatten i erforderlig mängd står inför många utmaningar på vägen från råvattentäkt till konsumentens tappkran. Föroreningar av olika slag, fysikalisk-kemiska eller mikrobiologiska, kan tillföras vattnet genom hela produktionskedjan.

Sjukdom kopplat till dåligt dricksvatten är troligtvis något som många i första hand associerar med dålig hygien och dåliga sanitära förhållanden, d.v.s. företrädesvis ett problem för fattiga länder i världen. Problemet med dricksvattenburen smitta är dock ett problem även för utvecklade länder. Enligt Folkhälsomyndighetens rapport Sjukdomsutbrott orsakade av dricksvatten – Utbrott i Sverige år 1992 – 2011, inträffade i Sverige 78 dricksvattenburna utbrott mellan åren 1992 och 2011, med totalt knappt 72 000 insjuknade personer. I snitt rapporteras ca 4 utbrott per år i Sverige, och antalet insjuknade varierar stort mellan åren, från 2 till 27 000 personer per år. Mörkertalet är dock troligtvis betydande då det ofta är svårt att utreda varifrån smittan härstammar och då mindre utbrott sällan uppmärksammas och rapporteras. Förutom det personliga lidandet och inkomstbortfallet kan utbrott av magsjuka även orsaka mycket stora samhällskostnader.

Mikroorganismer som utgör de största riskerna i dricksvattensammanhang inom de i dricksvattensammanhang viktigaste grupperna av mikroorganismer; bakterier, virus och parasitära protozoer, finns ett antal mikroorganismer som kan vara s.k. patogena, d.v.s. sjukdomsframkallande. Dessa patogener återfinns i varierande grad i svenska råvattentäkter och har olika egenskaper såsom värddjur, zoonotisk potential, spridningsmönster, överlevnad i miljön, motståndskraft mot olika beredningstekniker, infektionsdos, hur allvarlig sjukdom de kan ge upphov till, m.m. I omkring hälften av alla dricksvattenburna utbrott i Sverige är det okänt vilken patogen som ligger bakom utbrottet. Av de utbrott där orsakande patogen är känd, är Calicivirus (där Norovirus ingår) vanligast, följt av Campylobacter. Tillgängliga epidemiologiska data tyder på att risken för att smittas av patogena bakterier och virus är större via andra livsmedel än via dricksvatten, men eftersom dricksvatten distribueras till ett stort antal människor kan konsekvenserna av ett utbrott bli allvarliga. Även om det är svårt att jämföra riskerna mellan dricksvatten och övriga livsmedel, kan man konstatera att konsekvenserna av utbrott kan bli mycket större för dricksvatten än för övriga livsmedel. Dessutom är ofta infektionsdosen låg, d.v.s. det krävs små mängder patogener för att bli sjuk.

I Sverige hanteras mikrobiologiska risker inom dricksvattenkedjan företrädesvis genom införandet av vattenskyddsområden med tillhörande föreskrifter, egenkontrollprogram med hygienregler, HACCP, provtagning av fekala indikatororganismer samt övergripande risk- och sårbarhetsanalyser.

I dricksvattenföreskrifterna (SLVFS 2001:30) anges vilka typer av beredningssteg som är att anse som mikrobiologiska barriärer, men det finns inga krav på hur många barriärer ett vattenverk ska ha. Det anges inte heller några krav på avskiljningsgrad. I Kontrollwiki anges dock ett rekommenderat minsta antal barriärer, beroende på råvattentyp och råvattenkvalitet.

I den svenska lagstiftningen använder man sig i dricksvattenproduktionen av kontroller i efterhand med hjälp av indikatororganismer, företrädesvis koliformer där E.coli ingår. Frånvaro av koliformer har tolkats som att vattnet är fritt från fekal förorening. Att denna metod har sina brister har man länge varit medveten om och på olika sätt försökt hantera. Problemen med efterkontroll är flera.

Koliformer, den vanligaste indikatororganismen, är en lättodlad bakteriegrupp som dessutom är känslig för klor. Olika typer av patogener reagerar olika på desinfektion och frånvaro av koliformer är ingen garanti för att vattnet är fritt från virus eller protozoer, eller ens fritt från andra typer av bakterier. Flera andra patogener har visat sig mer resistenta än indikatororganismer mot konventionell rening. Alternativet att utöka analysprogrammet med fler indikatorer är inte heller attraktivt, då analyserna i många fall är dyra, komplicerade och tidskrävande.

Även om analysmetoderna utvecklas och förbättras kommer vi inte ifrån att mikrobiologiska analyser tar tid. Det innebär att det föreligger icke försumbar risk att man alltför sent upptäcker en förorening i vattnet som då redan kan ha hunnit konsumeras. Ju mer komplicerade analyser, desto längre blir svarstiden.

I efterkontrollens karaktär ligger att den är diskret till sin natur, med en provtagningsfrekvens som bestäms av de lokala förutsättningarna. Det blir svårt tt upptäcka plötsliga förändringar i vattenkvaliteten med en provtagning som baseras på 100 ml vid stickprovskontroll.

Förekomsten av patogener i dricksvatten är mycket låg i ett dricksvatten behandlat i en väl fungerande process. Då halterna i råvattnet är mycket låga och efter rening är förekomsten nära noll gör att det är svårt att detektera patogener. Analys av sådana låga koncentrationer är mycket svårt. Analysmetoderna kräver högre halter eller mycket stora provtagningsvolymer, uppemot 1000 liter vatten. Tyvärr räcker det med väldigt låga halter (i vissa fall endast en mikroorganism) för att insjukna.

Sammantaget leder ovanstående till att man alltmer kommit att inse att frånvaro av indikatororganismer inte garanterar att vattnet är fritt från patogener. Slutsatsen blir att det är svårt att med hjälp av efterkontroll garantera att vattnets kvalitet kontinuerligt uppfyller de ställda kraven.

I svensk lagstiftning finns idag inget krav på log-reduktion gentemot olika mikroorganismer, däremot börjar HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points, sv. Faroanalys och kritiska styrpunkter) och gradvis WSP (Water Safety Plans, sv. Vattensäkerhetsplaner) användas som verktyg för att verka förebyggande med att säkerställa vattenkvaliteten.

Världshälsoorganisationen, WHO, har arbetat fram ett globalt ramverk för att analysera, bedöma och hantera risker i både små och stora vattenförsörjningssystem. WHO kallar ramverket för ”vattensäkerhetsplaner” (Water Safety Plans, WSP).

WSP innebär att man på ett systematiskt sätt söker förebygga, upptäcka och åtgärda risker som kan leda till att människor insjuknar på grund av att förorenat dricksvatten levereras till konsumenterna. För att kunna genomföra alla de olika stegen som WSP proklamerar, behöver man systematisera det dagliga förebyggande arbetet samt genomföra en övergripande och allomfattande risk- och systemanalys. WSP har ännu inte inkorporerats i svensk och europeisk lagstiftning, men i Sverige arbetar vi däremot med vattenskyddsområden för råvattentäkter samt med HACCP för vattenverk. Båda dessa utgör viktiga beståndsdelar i WSP.

För att göra en fullständig riskanalys behöver flera olika analyser och utredningar av dricksvattensystemet genomföras, t.ex. HACCP, risk- och sårbarhetsanalys, och mikrobiologiska riskbedömningar, gärna både kvalitativa och kvantitativa, se figur 1. Exempel på en kvalitativ riskanalysmetod är MBA (Mikrobiologisk BarriärAnalys) där riskerna baseras på råvattenkvaliteten i form av förekomsten av indikatororganismer under flera år samt vattenverkets potentiella mikrobiologiska barriärhöjd. En kvantitativ mikrobiell riskanalys som är vanligt förekommande är QMRA.

Översiktlig beskrivning av de ingående delarna i WSP (Vattensäkerhetsplaner).

Ett annat verktyg som finns tillgängligt för Sveriges dricksvattenproducenter för bedömning av mikrobiologiska risker är MBA (Mikrobiologisk BarriärAnalys). Detta verktyg har ett lite annat upplägg än QMRA-verktyget och kan ses som ett komplement till detta. En översiktlig beskrivning av likheter och skillnader illustreras i figur 2 nedan.

Översiktlig beskrivning av likheter och skillnader, MBA och QMRA.

En risk kan definieras antingen som hur ofta någonting händer och dess konsekvens eller som sannolikheten för en händelse och dess konsekvens.

Risk = frekvens x konsekvensen
Risk = sannolikhet (för en definierad händelse) x konsekvensen.

För en vattenburen smitta kan konsekvensen vara att man blir sjuk. Risken är då antalet insjuknade vid en händelse per år, som bestäms av frekvensen av tillfällen med insjuknade individer, och hur många som blir sjuka vid tillfället. Risken blir då uttryckt i antal sjukdomsfall per år eller hur stor sannolikhet det är att bli sjuk per år.

Vad som är en acceptabel risk för vattenburen smitta är svårt att uppskatta och kvantifiera. I svensk lagstiftning finns ingen acceptabel risk definierad. Amerikanska naturvårdsverket (USEPA) har dock föreslagit en nivå på mindre än 1/10 000 infekterade personer per år som acceptabel risk. Denna nivå används också i Nederländerna och används ofta som utgångspunkt för diskussioner kring acceptabel risk även i Sverige. För DALY har WHO satt den acceptabla risken för vattenrelaterad sjukdom till 1*10-6, dvs. 1 µDALY. Följande risknivåer brukar föreslås som utgångspunkt för diskussioner kring acceptabel risk (< betyder mindre än):

Årlig risk <1*10^-4 (<1 infekterad person/10 000 personer och år)
Daglig risk <1*10^-6 (<1 infekterade person/1 miljon personer och dag)
DALYs <1*10^-6 (1 µDALY)

Egentligen avser den acceptabla risken summan av alla patogener.

Ett centralt begrepp inom mikrobiologisk riskanalys för dricksvattenproduktion är log-reduktion. Log-reduktionen beskriver hur stor andel av en viss mikroorganism som reduceras, exempelvis i ett visst beredningssteg eller över en hel dricksvattenberedning. Log-reduktion definieras enligt:

Om vi exempelvis har en mikroorganism som förekommer i halten 100 st/100ml i råvattnet och som efter första beredningssteget minskat till halten 10 st/100ml, så har vi erhållit en reduktion på 90 st/100ml, eller uttryckt i procent, en reduktion på 90/100 = 0,9 = 90 %. Uttrycker vi detta som log-reduktion erhålls:

90 % reduktion motsvarar således 1 logs reduktion.

Man kan också uttrycka det som att halten i exemplet minskat med en faktor 10 (från 100 till 10). Då 10 = 101, ger detta att log 101 = 1, dvs. 1 log. På liknande sätt:

• 99 % reduktion motsvarar 2 logs reduktion.
• 99,9 % reduktion motsvarar 3 logs reduktion
• 99,99 % reduktion motsvarar 4 logs reduktion, osv.

En enkel minnesregel är att ”antalet log” motsvarar ”antalet 9:or” i den procentuella reduktionen.