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Factors Affecting the Occurrence and Survival of Opportunistic Pathogens in Water and Biofilms of Premise Plumbing, From the Water Inlet to the Point of Use

Margot Cazals

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Chemical and microbial water quality are altered in premise plumbing of large buildings, especially healthcare facilities. Concomitantly, an increasing number of hospital-acquired infections are linked to water systems or equipment connected to these systems that become contaminated with opportunistic pathogens. WHO has been recommending for several years that healthcare facilities implement water safety plans. These plans include a definition and assessment of the entire system, as well as the definition of a sampling and monitoring plan for water quality. Among the opportunistic pathogens causing an increasing number of water-related nosocomial infections, Legionella pneumophila is certainly the most studied. This bacterium is responsible for legionellosis and is often associated with hot water systems. Non-tuberculous mycobacteria (NTM) are ubiquitous in plumbing systems and are responsible for many forms of infections. Vermamoeba vermiformis is an amoeba that is often found in hot water systems and serve as a host for the multiplication of L. pneumophila and some NTM species. Finally, nosocomial infections due to pathogenic fungi are also increasingly reported. Candida species are among the most problematic fungal species in hospitals, with the emergence of multi-resistant species such as Candida auris. All four microorganisms are adapted to survive in water systems and connected devices, and are difficult to remove once contamination is established. The main objective of this research project is to identify design, operation, and maintenance parameters of large building water distribution systems that prevent the occurrence or persistence of opportunistic pathogens. The focus was on L. pneumophila, NTM and their common host V. vermiformis for drinking and hot water systems, while the presence of Candida spp. was investigated in hospital ice machines. On a more detailed level, this project aims to: (1) evaluate the survival of L. pneumophila in electric water heaters depending on the phase (water or loose deposits), the heating regime and the presence of hosts in the system, (2) determine the impact of several environmental and operational parameters (materials, temperature, flow regime) preventing the persistence of opportunistic pathogens (L. pneumophila, NTM) and their host V. vermiformis in water and biofilm of cold and hot water systems, and (3) to study the microbial contamination of hospital ice machines and the relevance of current guidelines concerning these machines. The first phase of the project involved temperature testing to assess the survival of L. pneumophila and V. vermiformis in water and loose deposits from electric water heaters. Significant differences in log reductions of L. pneumophila were observed for exposures at 55°C or 60°C, in water and loose deposits, highlighting the importance of complying with the regulated temperatures. Daily 4-hour exposures at 55°C were effective in eliminating cultivable L. pneumophila. However, co-culture of L. pneumophila exposed to 55°C for 4 hours with V. vermiformis resulted in a 6-log increase in the L. pneumophila population over 4 days.»

Résumé

Les qualités chimique et microbiologique de l’eau se retrouvent altérées dans les réseaux de plomberie des grands bâtiments, notamment des établissements de santé. En parallèle, de plus en plus d’infections nosocomiales sont reliées aux systèmes d’eau ou à des équipements connectés à ces réseaux qui se retrouvent contaminés par des micro-organismes pathogènes opportunistes. L’OMS recommande depuis plusieurs années aux établissements de santé de mettre en place des plans de gestion de la sécurité sanitaire de l’eau. Ces plans comprennent une définition et évaluation du système complet, ainsi que la définition d’un plan d’échantillonnage et de surveillance de la qualité d’eau. Parmi les micro-organismes pathogènes opportunistes engendrant de plus en plus d’infections nosocomiales liées à l’eau, la bactérie Legionella pneumophila est certainement le plus étudié. Cette bactérie est responsable de la légionellose, et est souvent associée aux systèmes de distribution d’eau chaude. Les mycobactéries non tuberculeuses (NTM) sont omniprésentes dans les réseaux de plomberie et sont responsables de nombreuses formes d’infections. Vermamoeba vermiformis est une amibe souvent retrouvée dans les réseaux d’eau chaude, et pouvant servir d’hôte pour la multiplication de L. pneumophila et certaines espèces de NTM. Finalement, des infections nosocomiales dues à des champignons pathogènes sont également de plus en plus recensées. Les espèces Candida sont parmi les espèces fongiques les plus problématiques en milieu hospitalier, avec l’émergence d’espèces multi-résistantes comme Candida auris. Ces quatre micro-organismes sont adaptés pour survivre dans les réseaux de distribution d’eau et les appareils qui y sont connectés, et sont difficiles à éliminer une fois la contamination installée. L’objectif principal de ce projet de recherche est d’identifier des paramètres de conception, d’exploitation, et de maintenance des réseaux de distribution d’eau de grands bâtiments qui préviennent l’apparition ou la persistance de micro-organismes pathogènes opportunistes dans ces installations. L’emphase a été mise sur L. pneumophila, les NTM et leur hôte commun V. vermiformis pour les réseaux d’eau potable et d’eau chaude, tandis que la présence de Candida spp. a été étudiée aux points d’usage que constituent les machines à glace d’un hôpital. Plus précisément, ce projet vise à : (1) évaluer la survie de L. pneumophila dans des chauffe-eaux électriques en fonction de la phase (eau ou sédiments), du régime de chauffe et de la présence d’hôtes dans le système, (2) déterminer l’impact de plusieurs paramètres environnementaux et d’exploitation (matériaux, température, régime d’écoulement) prévenant la persistance de bactéries pathogènes opportunistes (L. pneumophila, NTM) et leur hôte V. vermiformis dans l’eau et le biofilm de réseaux d’eau froide et d’eau chaude, et (3) étudier la contamination microbienne de machines à glace en milieu hospitalier et la pertinence des recommandation actuelles concernant ces appareils.»

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie civil
Academic/Research Directors: Michèle Prévost, Émilie Bédard and Sarah Dorner
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/54139/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Nov 2023 11:31
Last Modified: 10 Apr 2024 21:55
Cite in APA 7: Cazals, M. (2023). Factors Affecting the Occurrence and Survival of Opportunistic Pathogens in Water and Biofilms of Premise Plumbing, From the Water Inlet to the Point of Use [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/54139/

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