Corso di Alta Formazionein

Esperto in trattamenti delle acque reflue finalizzati al loro riutilizzo irriguo

PON 01_01480 INTERRA

Bari, 25 gennaio 2013

Valutazione del rischio microbiologico derivante dal riutilizzo di acque reflue depurate a scopo irriguo

“Valutazione del rischio microbiologico derivante dal

riutilizzo di acque reflue urbane depurate a scopo irriguo ”

Dr. Antonio Lonigro

Dipartimento di Scienze Agro-Ambientali e TerritorialiUniversità degli Studi di Bari

La pratica del riuso di acque reflue nel bacino del mediterraneo è conosciuta fin dai tempi delle

civiltà greca e romana

Lo sversamento sul suolo di tali acque è quindi una pratica antica e molto diffusa, tanto che reflui grezzi o

parzialmente trattati vengono ancora regolarmente sversati in molte zone del pianeta

Nel bacino del mediterraneo sono ormai numerose le aree in cui la carenza stagionale di risorse idriche ed il

loro sfruttamento non razionale impone l’utilizzo di acque reflue depurate per sopperire alle carenze idriche

In Europa, invece, l’interesse verso le pratiche volteal riutilizzo delle acque reflue depurate è in continuosviluppo tanto che, in accordo con quanto stabilitonell’art.12 della Direttiva 91/271/CEE, si impone chele “Le acque reflue che siano state sottoposte atrattamento devono essere riutilizzate, ogniqualvoltaciò risulti appropriato”.

L’utilizzo delle acque reflue urbane depurate in agricoltura, però, suscita ancora dubbi circa

l’incolumità degli operatori e dei prodotti agricoli.

A questo proposito si è voluto approfondire l’argomento “rischio microbiologico”

per poter stabilire una relazione tra livello di esposizione e probabilità che si verifichi l’infezione

Esistono tuttora, in campo scientifico, notevoli

discordanze sulla definizione degli indicatori e sulle

concentrazioni da adottare per la caratterizzazione del rischio

microbiologico

Non esiste un indicatore di inquinamento fecale ideale.

Tra i tanti però Escherichia coli è quello che soddisfa la

maggior parte dei requisiti.

Valutazione del rischio microbiologico

Si esplica attraverso tre livelli di approccio:

Studi epidemiologici

Sperimentazione diretta

Uso di modelli probabilistici

Nelle diverse tipologie di valutazione del rischio si assume sempre che i microrganismi

siano distribuiti secondo la funzione di Poisson

Nelle diverse tipologie di valutazione del rischio si assume sempre che i microrganismi

siano distribuiti secondo la funzione di Poissonper eventi che si verificano con frequenza

molto bassa in uno spazio molto grande, “eventi rari”

Nelle diverse tipologie di valutazione del rischio si assume sempre che i microrganismi

siano distribuiti secondo la funzione di Poissonper eventi che si verificano con frequenza

molto bassa in uno spazio molto grande, “eventi rari”Se i microrganismi sono distribuiti casualmente

in un volume V, la probabilità che un campione xcontenga N microrganismi (compreso N = 0)

è data da:

Nelle diverse tipologie di valutazione del rischio si assume sempre che i microrganismi

siano distribuiti secondo la funzione di Poissonper eventi che si verificano con frequenza

molto bassa in uno spazio molto grande, “eventi rari”Se i microrganismi sono distribuiti casualmente

in un volume V, la probabilità che un campione xcontenga N microrganismi (compreso N = 0)

è data da:

P(x=N) = Ve

!NV

Nelle diverse tipologie di valutazione del rischio si assume sempre che i microrganismi

siano distribuiti secondo la funzione di Poissonper eventi che si verificano con frequenza

molto bassa in uno spazio molto grande, “eventi rari”Se i microrganismi sono distribuiti casualmente

in un volume V, la probabilità che un campione xcontenga N microrganismi (compreso N = 0)

è data da:

P(x=N) = Ve

!NV

Dove densità media dei microrganismi che viene assunta costante per tutti i microrganismi

La virulenza di un microrganismo dipende da vari fattori:

concentrazione nell’ambiente;grado di sopravvivenza;

tempo di latenza per diventare infettivo;dose media infettante (N50)

Tempi di sopravvivenza dei patogeni nel terreno e sui prodotti a 20 - 30 °C

Patogeni Tempo di sopravvivenzaNel terreno Sulle colture

VirusEnterovirus

BatteriColi fecaliSalmonella sppVibrio cholerae

ProtozoiEntamoeba histolytica

Elminti: uova

< 100 ma di solito < 20 giorni < 60 ma di solito < 15 giorni

< 70 ma di solito < 20 giorni < 30 ma di solito < 15 giorni< 70 ma di solito < 20 giorni < 30 ma di solito < 15 giorni< 20 ma di solito < 10 giorni < 5 ma di solito < 2 giorni

< 20 ma di solito < 10 giorni < 10 ma di solito < 2 giorni

Molti mesi < 60 ma di solito < 30 giorni

Tipo di Patogeno Dose Infettiva Media (N50)BatteriEscherichia coli Alta (> 106)Salmonella Alta (> 106)Salmonella typhi Alta (> 106)Vibrio cholerae Alta (> 106)Yersinia enterocolitica Alta (> 106)Shigella Media (104)

VirusVirus Epatite A Bassa (<102)Rotavirus Bassa (<102)Enterovirus Bassa (<102)

ProtozoiGiardia Bassa (10)Cryptosporidium Bassa (10)Entamoeba histolytica Bassa (<102)

Uova di elminti 1

Caratterizzazione dei patogeni in funzione della loro dose infettiva media (N50)

Per poter stabilire una relazione tra livello di esposizione e probabilità che si verifichi

l’infezione e/o la malattia è necessario fare riferimento ai modelli probabilistici dose-risposta.

Haas C.N., Rose J.b. e Gerba C.P., 1999, hanno descritto diversi modelli di valutazione del rischio associati alla presenza di microrganismi infettivi negli alimenti, nell’acqua, nel suolo e nell’aria

Modelli dose-risposta per valutare il rischio microbiologico

Modelli N N50 K min r

Teorici:

Esponenziale P1(d) = 1 –exp (-r) 1 N50 = r5,0ln

1 1

Beta-Poisson P1(d) = 1-

d1 2 N50 = 12 /1

Fr

Gamma P1(d) = dr,K min > 1

Gamma-espon. P1(d) = 1 -

rd1 2

Empirici:

Log-logistic P1(d) = dlnqqexp11

21

Log-probit P1(d) =

21 qdln

q1

Weibull P1(d) = - exp (-q1dq2)

P1(d) = probabilità di infezione

r = probabilità di sopravvivenza costante per tutti i microrganismi

K = n° di microrganismi che sopravvivono all’interno dell’ospite

N = n° di patogeni ingeriti

N50 = dose media infettante (quantità di patogeni in grado di infettare il 50% della

popolazione esposta)

d = dose intesa come prodotto del volume in cui sono distribuiti casualmente i

microrganismi per la densità dei microrganismi stessi.

e = parametri del modello Beta

= distribuzione Gamma

Questi diversi modelli sono stati applicati a sperimentazioni reali e confrontati tra loro in base a

diversi criteri:

- esistenza di esperienze sperimentali non epidemiologiche sullapresenza di patogeni o di indicatori su terreno e/o colture;

- esistenza di validazione epidemiologica;

- n° di autori che hanno applicato un modello o confrontato piùmodelli;

- Specificità di un modello rispetto ad un microrganismo;

- Livello di approssimazione del modello sulla base di ipotesiche si sono dovute assumere.

Dal confronto è emerso che:

il modello esponenziale è fondato su ipotesi troppo semplificativeche lo rendono impreciso e suscettibile di errore;

i modelli Gamma e Gamma esponenziale non hanno trovato finoraalcuna applicazione;

I modelli empirici (Log-logistic; Log-probit e Weibull) pur avendo una consistente letteratura alle spalle, sono usati per la valutazionedella tossicità di natura chimica e non microbiologica;

il modello Beta-Poisson offre i migliori risultati di attendibilità.

APPLICAZIONE SPERIMENTALE DEL

MODELLO BETA-POISSON

Per poter valutare il rischio microbiologico, inteso come probabilità di contrarre infezione e/o malattia a seguito di alimentazione a base di prodotti agricoli irrigati con acque

reflue, si è applicato, a titolo esplicativoil modello probabilistico Beta-Poisson

L’analisi del rischio poteva essere effettuata indifferentemente su una qualsiasi delle colture sperimentate visto che tutte sono

potenzialmente a rischio in quanto consumabili crude(finocchio, lattuga, pomodoro)

Tuttavia, si è ritenuto di utilizzare la lattuga perché oltre ad essere consumata cruda e a rappresentare un ingrediente essenziale nella dieta italiana, è più esposta all’inquinamento microbiologico in quanto:

- si trova in prossimità della superficie del terreno;- presenta una superficie di bagnatura piuttosto estesa;- si consuma fresca entro poco tempo dalla raccolta.

Si è ipotizzato un consumo medio di 100 g (circa 3 foglie) al giorno

per un periodo di 150 giorni l’anno

Il rischio microbiologico è stato calcolato sui 2 tipi di acqua sperimentati e poi confrontato

con con altri 4 tipi di acqua:

• Acqua convenzionale (E. coli = ufc 7/100 ml)

• Refluo sottoposto a filtrazione a membrana (E. Coli = ufc 11/100ml)

• Refluo grezzo (E. coli = ufc 107/100ml);

• Refluo trattato biologicamente (E. coli = ufc 104/100ml);;• Refluo conforme al D.L. 152/99 (E. coli = ufc 5000 /100 ml);

• Refluo conforme al D.L. 185/03 (E. coli = ufc 10 /100 ml);

Per poter applicare il modello è necessario fare delle assunzioni:

la quantità di acqua di irrigazione che rimane a contatto delle foglie è pari a 10 ml/100 g (Shuval, 1997; Asano, 1998; Lonigro, 2006);

il n° di E. coli permangano per intero (per essere cautelativi) sulle foglie dopo l’evaporazione dell’acqua;

la riduzione del n° di E. coli dall’irrigazione al consumo è pari a 3 log, cioèal 99,90% (anche se in letteratura tale riduzione è considerata pari a 4 log);

il rapporto virus enterici/E. coli è pari a 1:105 (Schwartzbrod, 1995);

la probabilità che un individuo infetto sviluppi la malattia è pari a 0,5 (anche in questo caso è stata assunta la condizione più sfavorevole)

PI = 1- a

50

12NN1 a

1

Dove:

PI = Probabilità di contrarre l’infezione

N = n° patogeni ingeriti

N50 = n° patogeni in grado di infettare il 50% dei soggetti esposti

a = costante del modello Beta-Poisson assunto pari a 5 (Shuval et al., 1997).

Partendo dalla distribuzione mista Beta-Poisson:

Dopo diversi arrangiamenti e sostituzioni si arriva a:

P1(d) = 1 - drrdexpr1r

1

0

11

Probabilità di contrarre infezione P1 o malattia PD derivante dal consumo di 100 g di insalata irrigata con acque reflue di diversa qualità microbiologica per virus ad alta virulenza (N50 = 30), valutate con il modello Beta-Poisson

Se si rispettano i limiti imposti dalla Legge 185/03, per il riutilizzo di acque reflue urbane depurate a scopo irriguo, che impongono un

limite di 10 ufc/100 ml di Escherichia coli

secondo il Modello Beta-Poisson

il rischio di contrarre malattia veicolata da patogeni presenti nelle acque e dell’ordine di:

2 ogni 100 milioni di persone esposte l’anno

(Rischio Basso)

1.85  10‐8

Utilizzando i limiti imposti dal WHO pari a 1000 ufc/100 mldi E. coli il rischio di contrarre malattia sarebbe pari a:

2 individui su 1 milione di persone esposte

1.85  10‐6

(Rischio accettabile)

1.85  10‐2

Se si usassero acque reflue brute (107 cfu/100ml of E. coli) il rischio di contrarre malattia sarebbe pari a:

2 individui ogni 100 persone esposte in un anno(Rischio Molto Alto)

Non sarebbe forse il caso di rivedere questi limiti, nell’ottica di un possibile maggior riuso a

vantaggio dell’agricoltura, dell’ambiente e della spesa

pubblica?

CONCLUSIONIDopo un decennio di ricerche in cui sono statesperimentate diverse colture orticole insuccessione, sempre sulle stesse parcelle, si puòconcludere che:

- l’acqua reflua urbana depurata (confiltrazione a membrane) rappresenta unasoluzione realistica per incrementare ladisponibilità di acqua per uso irriguo, e inalcuni casi anche “meno rischiosa”

- i limiti imposti dalle vigenti normative sonoestremamente restrittivi, e a danno del riuso

- l’aspetto microbiologico non desta problemi dicontaminazione residua sul suolo né sul prodottocommerciabile, pertanto non compromette la salutepubblica

- l’unica incognita è rappresentata dalla possibilitàaccidentale che nell’acqua reflua ci sia qualchesostanza che sul breve o lungo periodo possarivelarsi tossica per le colture e per l’ambiente ingenerale

Da ciò il suggerimento di:

“utilizzare la risorsa delle acque reflue depurate, senza

mai prescindere da seri e puntuali controlli”