Pathogen transport in groundwater systems: contrasts with traditional solute transport

Abstract

Water quality affects many aspects of water availability, from precluding use to societal perceptions of fit-for-purpose. Pathogen source and transport processes are drivers of water quality because they have been responsible for numerous outbreaks resulting in large economic losses due to illness and, in some cases, loss of life. Outbreaks result from very small exposure (e.g., less than 20 viruses) from very strong sources (e.g., trillions of viruses shed by a single infected individual). Thus, unlike solute contaminants, an acute exposure to a very small amount of contaminated water can cause immediate adverse health effects. Similarly, pathogens are larger than solutes. Thus, interactions with surfaces and settling become important even as processes important for solutes such as diffusion become less important. These differences are articulated in “Colloid Filtration Theory”, a separate branch of pore-scale transport. Consequently, understanding pathogen processes requires changes in how groundwater systems are typically characterized, where the focus is on the leading edges of plumes and preferential flow paths, even if such features move only a very small fraction of the aquifer flow. Moreover, the relatively short survival times of pathogens in the subsurface require greater attention to very fast (<10 year) flow paths. By better understanding the differences between pathogen and solute transport mechanisms discussed here, a more encompassing view of water quality and source water protection is attained. With this more holistic view and theoretical understanding, better evaluations can be made regarding drinking water vulnerability and the relation between groundwater and human health.

Résumé

La qualité de l’eau impacte par de nombreux aspects les questions de disponibilité de l’eau, depuis la proscription de son usage jusqu’aux perceptions sociales relatives à l’adéquation des besoins par rapport à l’usage prévu. Les sources de pathogènes et les processus de transport conditionnent la qualité de l’eau, du fait qu’ils sont à l’origine de nombreux foyers infectieux entraînant des pertes économiques importantes dues à la maladie et, dans certains cas, à des pertes de vie. Les foyers infections sont le résultat d’une très petite exposition (par ex., moins de 20 virus) à des sources très virulents (par ex. des trillions de virus transmis par un seul individu infecté). Ainsi, contrairement aux contaminants de type soluté, une exposition aiguë à une très petite quantité d’eau contaminée peut avoir des effets négatifs immédiats sur la santé. De même, les pathogènes sont plus nombreux que les solutés. Par conséquent les interactions entre les surfaces et les zones de dépôts deviennent importantes alors que des processus importants pour les solutés comme la diffusion deviennent moins importants. Ces différences sont définies dans la « Théorie de la Filtration des Colloïdes », une partie distincte du transport à l’échelle porale. Par conséquent, la compréhension des processus des pathogènes exige des modifications dans la manière de caractériser classiquement les systèmes aquifères, où la cible est située sur les bordures avant des panaches et au niveau des chenaux d’écoulement préférentiel, même si de telles structures mobilisent seulement une petite fraction du flux de l’aquifère. De plus, les temps de survie relativement courts des pathogènes dans le milieu souterrain nécessite de porter une plus grande attention aux voies d’écoulement très rapides (<10 ans). A travers une meilleure compréhension des différences entre les mécanismes de transport des pathogènes et des solutés telles que discutée ici, la qualité de l’eau et la protection des ressources sont approchées de manière plus large. Avec cette approche plus holistique et cette compréhension théorique, de meilleures évaluations peuvent être faites concernant la vulnérabilité de l’eau potable et la relation entre les eaux souterraines et la santé humaine.

Resumen

La calidad del agua afecta muchos aspectos de la disponibilidad de agua, por excluir del uso que sirve a la sociedad. La fuente de los patógenos y los procesos de transporte son factores determinantes de la calidad del agua, ya que han sido responsables de numerosos brotes que han provocado grandes pérdidas económicas por enfermedad y, en algunos casos, pérdida de vidas. Los brotes resultan de una exposición muy pequeña (por ejemplo, menos de 20 virus) de fuentes muy fuertes (por ejemplo, trillones de virus desprendidos por un solo individuo infectado). Así, a diferencia de los contaminantes de soluto, una exposición aguda a una cantidad muy pequeña de agua contaminada puede causar efectos adversos inmediatos para la salud. Del mismo modo, los patógenos son más grandes que los solutos. Por lo tanto, las interacciones entre las superficies y la sedimentación se vuelven importantes incluso cuando procesos importantes para los solutos tales como la difusión llegan a ser menos importantes. Estas diferencias se articulan en la “Colloid Filtration Theory”, una rama separada del transporte a escala de poros. En consecuencia, la comprensión de los procesos patógenos requiere cambios en la forma en que los sistemas de agua subterránea son normalmente caracterizados, donde el foco está en los límites delanteros de las plumas y las trayectorias preferenciales de flujo, incluso si tales características mueven sólo una pequeña fracción del flujo del acuífero. Además, los tiempos relativamente cortos de supervivencia de los patógenos en la subsuperficie requieren una mayor atención a las trayectorias rápidas de flujo (<10 años). Mediante una mejor comprensión de las diferencias entre los mecanismos de transporte de patógenos y de soluto que aquí se discuten, se alcanza una visión más amplia de la calidad del agua y la protección del agua a la fuente. Con esta visión más holística y la comprensión teórica, se pueden hacer mejores evaluaciones con respecto a la vulnerabilidad del agua potable y la relación entre el agua subterránea y la salud humana.

摘要

水质影响谁可用性的很多方面,从妨碍水的利用到符合目的的社会认知。病原体源及运移过程是水质的驱动者,因为它们对众多的疾病爆发负责,这些爆发引起疾病蔓延、有些情况下导致人员丧命,致使蒙受重大的经济损失。爆发起因于非常强的来源(例如从单个感染的个体中分裂出的亿万个病毒)非常小的暴露(例如不到20个病毒)。因此,和溶质污染物不同,短时间暴露于非常少量的污染水可立即引起对健康不利的影响。同样,病原体比溶质更大。因此,与表面的相互作用及着附就非常重要,正如过程对溶质溶质非常重要一样,而扩散就不显得那么重要。这些区别在孔隙尺度运移的单独分支“胶体过滤理论”中有明确的论述。所以,了解病原体过程需要在怎样典型描述地下水系统中有所改变,重点放在主要羽状物边缘及优先流通道,即使这样的特征影响到很小一部分含水层水流。此外,地下病原体相对短的存活时间需要更加注意非常快(<10年)的水流通道。通过更好地了解这里探讨的病原体和溶质运移机理之间的差异,可以获取更加包容的水质和源水保护方面的认识。有了更加全面的整体观和理论认识,可以对饮用水可用性及地下水和人类健康之间的关系作出更好的评价。

Resumo

A qualidade da água afeta diversos aspectos da disponibilidade de água, do impedimento de sua utilização a percepções sociais da adequação do uso. Fontes de patógenos e processos de transporte são condicionantes da qualidade da água pois eles têm sido responsáveis por numerosos surtos resultando em grandes perdas econômicas em razão de enfermidades e, em alguns casos, perdas de vidas. Epidemias resultam de exposições muito pequenas (p. ex. menos que 20 vírus) a fontes muito fortes (p. ex. trilhões de vírus transmitidos por um único indivíduo infectado). Assim, ao contrário dos contaminantes de soluto, uma exposição aguda a uma quantidade muito pequena de água contaminada pode causar efeitos adversos imediatos à saúde. Da mesma forma, os patógenos são maiores do que os solutos. Assim, as interações com superfícies e sedimentação tornam-se importantes mesmo quando os processos importantes para solutos como a difusão se tornam menos importantes. Essas diferenças são expressas na “Teoria de Filteração de Colóides”, um ramo separado de transporte na escala do poro. Consequentemente, a compreensão dos processos patogénicos requer alterações na forma como os sistemas de águas subterrâneas são tipicamente caracterizados, onde o foco está nos limites das plumas e caminhos de fluxo preferencial, mesmo que essas características movam apenas uma fracção muito pequena do fluxo do aquífero. Além disso, os tempos de sobrevivência relativamente curtos dos agentes patogénicos na subsuperfície requerem uma maior atenção para caminhos de fluxo muito rápidos (<10 anos). Ao compreender melhor as diferenças entre os mecanismos de transporte de agentes patogénicos e de soluto aqui discutidos, alcança-se uma visão mais abrangente da qualidade da água e da protecção das fontes de água. Com esta visão mais holística e compreensão teórica, podem ser feitas melhores avaliações sobre a vulnerabilidade da água potável e a relação entre as águas subterrâneas e a saúde humana.