User:Jana19

Tato simulace bakterií na lidských rukou slouží převážně k edukativním účelům a na základě této povahy je interaktivní. Nejedná se tak o simulaci, která se připraví a spustí v stejném či podobném scénáři za vyhodnocení výsledku. Naopak ke svému plnému využití vyžaduje akce ze strany uživatele – neboť nejlepší způsob, jak se něco naučit, je si to vyzkoušet a přesvědčit se sám. Jelikož není realistické, že bychom mohli dětem v různých momentech obtiskávat ručičky na agar, nechat vypěstovat kultury a pak jim ukazovat, co na petriho misce vyrostlo, nabízí simulace mnohem levnější (a snad i zábavnou) variantu. Vzhledem k povaze účelu a omezení z rozsahu práce je simulace zjednodušena (podrobnosti jsou uvedeny níže), což ovšem nebrání dalšímu rozvoji konceptu.

Definice problému

Oproti zadání tématu práce je tato sekce rozšířena o dovysvětlující informace a odůvodnění. Zadání se však z principu nemění.

Na lidských rukou se v průběhu dne vyskytují různé mikroorganismy včetně bakterií, které mohou být pro lidské zdraví škodlivé a je tak důležité dodržovat hygienické zásady. Pro děti však může být obtížné tomu uvěřit, neboť tyto mikroorganismy pouhým okem nevidí. Edukativním cílem simulace je tak existenci a množství bakterií demonstrovat a to jak příbytek (z interakce s každodenními objekty) tak úbytek (prostřednictvím mytí rukou a používání mycích přípravků). Záměrem je rovněž demonstrovat rozdíl mezi řádným a ledabylým mytím rukou. Prostřednictvím tlačítek může uživatel vyvolávat události interakcí s objekty a mytí rukou a sledovat, jaký mají vliv na počet bakterií na povrchu lidské ruky.

Pro zjednodušení konceptu simulace abstrahuje od ostatních typů mikroorganismů a soustředí se pouze na bakterie.

Simulace není vytvořena tak, že by poskytovala odpověď na jednu otázku, ale jako interaktivní. Pro report výsledků simulace si však můžeme nějaké otázky stanovit.

Otázky

- Kolik kolonií bakterií se nachází na rukou po návštěvě školní jídelny (tedy předmět „tác ze školní jídelny“), při nákupu nápoje v plechovce a placení platební kartou?

- Kolik kolonií bakterií zůstane přítomných po kontaktu s rukou jiné osoby a následném ledabylém mytí pouze vodou?

- Kolik kolonií bakterií bude přítomno po použití sušiče rukou na veřejných toaletách? Za předpokladu, že přecházející mytí rukou bylo 100% efektivní (tedy přecházející počet bakterií je nulový), ale ruce zůstaly vlhké.

- Kolik kolonií bakterií bude přítomno po kontaktu s chodníkem, tkaničkou boty a psím vodítkem?

- Jaká je efektivita ledabylého mytí rukou pouze vodou?

- Jaká je efektivita poctivého mytí rukou vodou a mýdlem?

Povrch ruky

Povrch ruky je simulovaná plocha o rozloze 1 cm2 – tuto plochu lze pro představu snadno demonstrovat např. na papíře a zároveň bývají počty bakterií vyjádřeny v životaschopných jednotkách tvořící kolonie (CFU) na jednotku plochy cm2 (mimo USA), čímž zároveň předejdeme případným chybám vzniklým špatným převodem jednotek.

Povrch ruky má představovat především dlaň, nicméně lidské ruce jsou mnohem složitější a do počtů bakterií vstupují faktory jako přesné umístění, délka nehtů apod. (Chen et al., 2024) Obdobně tomu bývá i s mytím rukou, kdy některé místa bývají častěji opomenuta (Head of Safety & Ashby, 2019). Od těchto rozdílů práce částečně abstrahuje a to následovně: Je abstrahováno od vlivu pohlaví, délky nehtů, stáří (vrásčitost) a umístění na povrchu ruky – tyto faktory by zavedly mnoho proměnných a vyžadovaly podrobný výzkum jejich vlivu, což (časový) rozsah práce (a omezení přístupu k vědeckým pracem) nedovoluje. S tím souvisí i abstrahování od detailu částí ruky, které nebyly řádně umyty. Vliv důkladnosti mytí rukou je však v práci zahrnut vlivem na počet bakterií, však bez ohledu na umístění. Zjednodušeně, je tak simulovaná plocha povrchu ruky obecnější než je samotná dlaň.

Bakterie

Bakterie se vyskytují na simulovaném povrchu ruky ve sledovaném množství (CFU/cm2). Počet jednotlivých bakterií (buněk) v jedné kolonii se mezi druhy liší, řádově se však jedná o milion až miliardu buněk. K jejich příbytku či úbytku dochází prostřednictvím událostí vyvolaných tlačítky.

Technicky je možné, že by byl úbytek bakterií způsoben i jejich přenosem na jiné místo (jiné objekty), což je způsob, jakým se na povrch ruky dostanou v první řadě. Nicméně tato skutečnost je z práce vynechána – v situaci, kdy chceme dětem znázornit že si mají mýt ruce, aby se bakterií zbavili není žádoucí nechat je dojít k závěru, že ke stejnému efektu postačí ohmatávat (čisté) objekty v okolí.

Z důvodu účelu a rozsahu práce je abstrahováno od detailů tvaru bakterií (koky, diplokoky,…) a jejich rodů a druhů. Jejich zavedení by práci zesložitilo nad žádoucí rozsah, především však by značně zkomplikovalo podložení práce reálnými daty, neboť by pak bylo nutné dohledávat věrná data pro každý druh, práce by potenciálně byla nepřesná a ve výsledku by se projevily pouze odlišným tvarem a barvou – což, byť vizuálně jistě zajímavé, je pro účel simulace nepodstatné.

Abstrahováno je od přirozeně vyskytující se mikroflóry na povrchu rukou („Normal Bacterial Flora on Hands", 2009), neboť by pro účely simulace byla spíše zavádějící.

Další otázkou je množení bakterií, které se již vyskytují na povrchu ruky. Tato možnost není v simulaci zahrnuta, byť byla součástí prvotní představy. Důvodem je skutečnost, že bakterie k množení potřebují dosti specifické podmínky, jako jsou teplota, potrava a vlhkost. Některé druhy (tzv. mezofilní bakterie) sice mají optimální teplotu k množení shodnou s teplotou povrchu lidského těla (Temperature and Microbial Growth | Microbiology, 2025), nicméně, jak už bylo řečeno, teplota zdaleka není jediným faktorem. Důležitým faktorem je i vlhkost, která zpravidla nezsůstává na rukou dostatečně dlouho (výjimku tvoří např. delší nošení neprodyšných rukavic, zevní poranění a krvácení). Vzhledem k tomu, že in vivo k optimálním podmínkám pro množení bakterií přímo na povrchu ruky běžně nestává a množství zůstává spíše konstantní (s výjimkou úmrtí bakterií, což by ale při zahrnutí představovalo stejný problém jako výše zmíněný úbytek přenosem) (Krieken et al., 2016). In vitro je samozřejmě možné a běžné bakterie množit, ale to je mimo rozsah této simulace (ale simulace bakterií in vitro (na agaru) by jistě byla zajímavá práce).

Povrchy

Jak již bylo naznačeno, bakterie se nachází i na površích objektů, se kterými simulovaná ruka interaguje – události tlačítek. Data pro různé povrchy jsou uváděna v CFU na jednotku plochy, převedeno vždy na CFU/cm2. To není simulováno vizuálně, ale použito pro výpočet příbytku bakterií na simulovaném povrchu ruky. Pochopitelně, tento údaj nebývá ve skutečnosti konstantní a tak není konstantní ani v simulaci – výsledná hodnota je náhodně vybrána z logaritmicko-normálního rozdělení, kde hodnota z dat je střední hodnotou. Vlhkost napomáhá přenosu bakterií (Del Campo et al., 2019) – i v simulaci je přenos bakterií účinnější v případě, že jsou ruce vlhké.

Mytí rukou

Navážeme-li rovnou na předchozí část – mytí rukou je zakončeno sušením. Jestliže proběhlo sušení důkladně, ruce jsou suché a jestliže ne, ruce jsou vlhké. Což je představeno True/False proměnnou (zda jsou ruce vlhké), která ovlivňuje účinnost přenosu bakterií. Po určité době je z hodnoty True přepnuta na hodnotu False, což vyjadřuje, že ruce po dané době samovolně uschly. Je abstrahováno od vlivu metody sušení – např. rekontaminaci díky použití kontaminovaného ručníku.

Akce mytí rukou procentuálně snižuje počet bakterií na povrchu ruky (např. o 100 %, 95 % a podobně). Tato účinnost se odvíjí od několika faktorů – kvality mytí a použitého přípravku.

Metoda

Simulace je vytvořena v programu a jazyce NetLogo. Z principu je tvořena událostmi vyvolaných tlačítky a jednoduchými matematickými výpočty.

Před vytvořením návrhu tématu simulace, byl proveden rychlý výzkum, zda je téma proveditelné – bylo nahlíženo do volně dostupných zdrojů a některé detaily z oblasti mikrobiologie byly konzultovány s umělou inteligencí za účelem ověření korektní interpretace nalezených informací. Tyto akce nebyly zaznamenány (neboť nebylo rozhodnuto o schválení tématu), nicméně klíčové informace byly zpětně dohledány a zdroje uvedeny.

Vzhledem k oblasti tématu, které je velmi odlišné od zaměření VŠE byly dostupné zdroje informací omezeny a tuto skutečnost nelze opomenout jako limit práce. Vzhledem k rozsahu a účelu práce, jemuž podléhá jistá míra zjednodušení problému, byly voleny zdroje dat co nejjednodušší na zpracování (ideálně tedy co nejvíce dat na jednom místě a stejných jednotkách), dostupné a co nejkvalitnější.

Data o počtu bakterií na různých předmětech byla shromážděna z několika zdrojů, kde byl počet uveden v CFU na jednotku plochy, což bylo v případě potřeby převedeno na CFU/cm2. Jelikož tyto hodnoty bývají variabilní, byly použity jako střední hodnota logaritmicko-normálního rozdělení (μlog​) a směrodatná odchylka byla autorem zvolena jako σlog​ = 0.6, čímž je zajištěno, že zvolená hodnota bude nezáporná a zajišťuje lepší konzistenci s realitou, kdy některé povrchy mohou být velmi špinavé nebo naopak velmi čisté.

Tabulka níže zobrazuje použité hodnoty (Del Campo et al., 2019; dip-slides.com, 2022; Madsen et al., 2020; NSF, 2025). Pozn. Názvy položek v rozhraní simulace se mohou lišit v závislosti na srozumitelnosti a délky textu.

V případě mytí rukou byla k dispozici data o vlivu doby trvání i o vlivu použití přípravků, nicméně tato data byla oddělená a pro účel této práce bylo nutné je zkombinovat. Jelikož toto spadá mimo odbornost autora, byl k tomuto úkolu využit ChatGPT, kterému byly předány konkrétní studie (OpenAI, 2025; Burton et al., 2011; Cressey, 2009; Mihalache et al., 2021) a prompt – to je jedna z výhod, které tyto relativně nové technologie přináší a nedává smysl ji nevyužít, zejména v případech jako tento, kdy přesnost není kritická. Zároveň byl ChatGPT požádán o odhad směrodatné odchylky, jestliže bychom hodnoty použili jako střední hodnotu normálního rozdělení. Tento odhad byl pro implementaci upraven, díky chybějícím datům a pro zjednodušení výpočtu. Tzv. antibakteriální mýdlo bylo z implementace vyloučeno, neboť data naznačují, že neposkytuje lepší účinnost oproti obyčejnému mýdlu.

Pozn. Bohužel pro tuto analýzu bylo nutné využít placenou verzi ChatGPT, kterou nedisponuji. K provedení dotazu jsem tak musel požádat osobu, která placenou verzí disponuje a která mi předala výstup ve formátu pdf. Nemohu tak uvést konkrétní URL adresu konverzace, tak alespoň přikládám výsledné pdf. Pozn. Prompt: „Using the provided research papers, give a brief analysis of the efficiency of bacteria removal for each washing method (product) used. Focus on the analysis of the product, method and duration. For my use case, exclude drying as it has no interest to me. The expected result is a table summarising all methods and estimating the percentage of bacteria reduction. Select a suitable applicabůe formula to calculate such. Focus on the resulting mean value and standard deviation using the normal distribution. Provide detailed description of the formula used.“

Tabulka níže obsahuje hodnoty použité v simulaci, tučné hodnoty vychází přímo z dat, ostatní doplněny odhadem (OpenAI, 2025; Burton et al., 2011; Cressey, 2009; Mihalache et al., 2021). Pro mytí pouze vodou, jehož účinnost vychází pouze z mechanického efektu, byla přiřazena větší směrodatná odchylka, aby byla zajištěna větší variabilita.

Multiplikátor počtu přidaných bakterií v případě, že jsou ruce vlhké byl zvolen v hodnotě 10 s možností jej upravit.

Implementace

Samotná implementace proběhla nejpre vytvořením zjednodušené verze – prototypu – k ověření správné funkčnosti a chování simulace. Následně byla rozšířena o ostatní prvky.

První prototyp obsahoval tlačítka pouze pro založení a spuštění simulace a testovací tlačítka pro navlhčení ruky, přidání a odebrání bakterií. Zobrazením počtu bakterií na povrchu bylo ověřeno, že jestliže je povrch vlhký, je přidáno více (v tomto časovém bodě o 10 %) bakterií. Nastaven byl i způsob, jakým se bakterie pohybují, který vznikl náhodně zvolenými fixními hodnotami, ale byl ponechán, jelikož připomíná Brownův pohyb.

Z důvodu chybějící možnosti customizace zobrazení názvu některých prvků uživatelského rozhraní byly některé proměnné pojmenovány v českém jazyce, ačkoli je kód psán v jazyce anglickém.

Model

Model je napsán v aplikaci a jazyce NetLogo. Ovládán je přes vytvořené uživatelské rozhraní jehož značnou část tvoří tlačítka událostí interakcí s objekty/povrchy, které zvyšují počet bakterií na simulovaném povrchu ruky. Tato tlačítka byla pro lepší přehlednost rozdělena do sekcí.

Proměnné

Procedury

Výpočty

Efektivita mytí rukou v procentech je odvozena z náhodného čísla vybraného z normálního rozdělení s danými středními hodnotami a směrodatnými odchylkami pro různé metody a délky trvání.

Následně je ošetřeno, že hodnota se nachází v rozmezí <0; 100>. Zároveň je vybráno náhodné číslo z rozsahu <1; 100> a porovnáno s hodnotou šance na vlhké ruce a vyhodnocen výsledek.

Příbytek nových bakterií je odvozen z náhodného čísla z logaritmicko-normálního rozdělení s customizovatelnou směrodatnou odchylkou a střední hodnotou vycházející z dat, která je předána skrze tlačítka. Hodnota je zaokrouhlena na celé číslo a omezena na kladné hodnoty. V případě, že jsou ruce vlhké, je příbytek bakterií vynásoben customizovatelným multiplikátorem, který je ve výchozím stavu nastaven na 10. Aby bylo ošetřeno, že počet bakterií, které musí simulace udržovat nepřekročí pro hardware únosnou mez, je příbytek limitován maximálním možným počtem bakterií, jež je rovněž možno customizovat.

Výsledky

Hlavním výsledkem je samotná interaktivní simulace. Vzhledem k povaze simulace byly stanoveny otázky, na které odpovídá tabulka níže.

Výsledný vzhled simulace.

Závěr

Simulace bakterií na povrchu ruky byla úspěšně vytvořena s přesností, která je pro edukativní účel simulace dostačující. Díky interaktivnímu pojetí, je simulace i zábavná. Skrze uživatelské rozhraní je možné přizpůsobit hodnoty parametrů jako je např. limit počtu bakterií. Zahrnut je i přepínač, který změní zobrazení simulovaného povrchu ruky do stupňů šedi, pro snadnější viditelnost pro osoby s poruchou barevného vidění. Na stanovené otázky lze snadno odpovědět.

Kód

NetLogo soubor: File:Jana19-bakterie.nlogo

Kód (text): globals [dry-time last-wash-efficiency] patches-own [wet] breed [bacteria a-bacterium]

to setup

 clear-all
 ask patches [set wet false if Černobílé [set pcolor gray + 4] if not Černobílé [set pcolor orange + 4]]
 if přenos-směrodatná-odchylka = nobody or přenos-směrodatná-odchylka <= 0 [set přenos-směrodatná-odchylka 0.6]
 reset-ticks

end

to go

 ask patches [
   if wet [if Černobílé [set pcolor gray] if not Černobílé [set pcolor blue + 3]]
   if not wet [if Černobílé [set pcolor gray + 4] if not Černobílé [set pcolor orange + 4]]
 ]
 ask bacteria [
   rt random 20 - 10
   forward 0.0005
   if Černobílé [set color black] if not Černobílé [set color red]
 ]
 if ticks >= dry-time [
   ask patches with [wet] [set wet false ask patches [if Černobílé [set pcolor gray + 4] if not Černobílé [set pcolor orange + 4]]]
   set dry-time 1e9
 ]
 tick

end

to make-wet

 ask patches [set wet true if Černobílé [set pcolor gray] if not Černobílé [set pcolor blue + 3]]
 set dry-time ticks + 100000

end

to wash-hands [method]

 let wash-mean 0 let wash-sd 0 let wet-chance 0
 if method = "soap" [
   if Mytí = "Ledabylé (10 s)" [set wash-mean 75 set wash-sd 0.80 set wet-chance 75]
   if Mytí = "Normální (15 s)" [set wash-mean 90 set wash-sd 0.80 set wet-chance 25]
   if Mytí = "Poctivé (20 s)" [set wash-mean 99.5 set wash-sd 0.80 set wet-chance 5]
 ]
 if method = "ethanol" [
   if Mytí = "Ledabylé (10 s)" [set wash-mean 85 set wash-sd 0.60]
   if Mytí = "Normální (15 s)" [set wash-mean 95 set wash-sd 0.60]
   if Mytí = "Poctivé (20 s)" [set wash-mean 99.5 set wash-sd 0.60]
 ]
 if method = "water" [
   if Mytí = "Ledabylé (10 s)" [set wash-mean 50 set wash-sd 2.50 set wet-chance 75]
   if Mytí = "Normální (15 s)" [set wash-mean 60 set wash-sd 2.50 set wet-chance 25]
   if Mytí = "Poctivé (20 s)" [set wash-mean 70 set wash-sd 2.50 set wet-chance 5]
 ]
 let wash-efficiency random-normal wash-mean wash-sd
 if wash-efficiency < 0 [set wash-efficiency 0] if wash-efficiency > 100 [set wash-efficiency 100]
 set last-wash-efficiency wash-efficiency
 let num-to-remove round (count bacteria * (wash-efficiency / 100))
 ask n-of num-to-remove bacteria [die]
 if random 100 < wet-chance [make-wet]

end

to touch [original-mean]

 let final-amount 0 let log-sd 0.6 set log-sd přenos-směrodatná-odchylka
 let log-mean ln ((original-mean ^ 2) / sqrt ((log-sd ^ 2 * original-mean ^ 2) + (original-mean ^ 2)))
 let new-bacteria-amount exp (random-normal log-mean log-sd)
 set new-bacteria-amount round new-bacteria-amount
 if new-bacteria-amount < 1 [set new-bacteria-amount 1]
 if any? patches with [wet] [set final-amount new-bacteria-amount * násobitel-mokré-ruce]
 if not any? patches with [wet] [set final-amount new-bacteria-amount]
 if (count bacteria + final-amount) > limit-počtu-bakterií [
   set final-amount limit-počtu-bakterií - count bacteria
   if final-amount < 0 [set final-amount 0]
 ]
 create-bacteria final-amount [
   setxy random-xcor random-ycor
   if Černobílé [set color black] if not Černobílé [set color red]
   set size 1.5 set shape "dot"
 ]

end




Bibliografie

Burton, M., Cobb, E., Donachie, P., Judah, G., Curtis, V., & Schmidt, W.-P. (2011). The Effect of Handwashing with Water or Soap on Bacterial Contamination of Hands. International Journal of Environmental Research and Public Health, 8(1), 97–104. https://doi.org/10.3390/ijerph8010097

Cressey, P. (2009). HANDWASHING AND DRYING DURATION - EVIDENCE FOR EFFICACY. New Zealand Food Safety Authority Contract for Scientific Services, 2009(FW0921). https://www.mpi.govt.nz/dmsdocument/26177-Handwashing-and-drying-duration-Evidence-for-Efficacy

Del Campo, R., Martínez-García, L., Sánchez-Díaz, A. M., & Baquero, F. (2019). Biology of Hand-to-Hand Bacterial Transmission. Microbiology Spectrum, 7(1), 7.1.04. https://doi.org/10.1128/microbiolspec.MTBP-0011-2016

dip-slides.com. (2022, září 30). How Much Bacteria is on Everyday Items? Dip-Slides.Com. https://dip-slides.com/dipslide-blog/dipslide-details.php?dipslide=27

Head of Safety, & Ashby, C. (2019). Hand Hygiene Policy – Yorkshire Ambulance Service. https://www.yas.nhs.uk/media/2831/hand-hygiene-v60.pdf

Chen, N., He, W., Chen, X., Li, Y., Cheng, X., Liu, L., Qian, H., Qiao, F., Cheng, F., Deng, Y., Wu, W., Feng, B., & Wang, Y. (2024). Distribution and characteristics of bacteria on the hand during oropharyngeal swab collection: Which handwashing points are affected? Journal of Clinical Nursing, 33(12), 4708–4716. https://doi.org/10.1111/jocn.17134

Krieken, D., Ederveen, T., Hijum, S., Jansen, P., Melchers, W., Scheepers, P., Schalkwijk, J., & Zeeuwen, P. (2016). An In vitro Model for Bacterial Growth on Human Stratum Corneum. Acta Dermato Venereologica, 96(7), 873–879. https://doi.org/10.2340/00015555-2401

Madsen, A. M., Phan, H. U. T., Laursen, M., White, J. K., & Uhrbrand, K. (2020). Evaluation of Methods for Sampling of Staphylococcus aureus and Other Staphylococcus Species from Indoor Surfaces. Annals of Work Exposures and Health, 64(9), 1020–1034. https://doi.org/10.1093/annweh/wxaa080

Mihalache, O. A., Borda, D., Neagu, C., Teixeira, P., Langsrud, S., & Nicolau, A. I. (2021). Efficacy of Removing Bacteria and Organic Dirt from Hands—A Study Based on Bioluminescence Measurements for Evaluation of Hand Hygiene When Cooking. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(16), 8828. https://doi.org/10.3390/ijerph18168828

Normal bacterial flora on hands. (2009). In WHO Guidelines on Hand Hygiene in Health Care: First Global Patient Safety Challenge Clean Care Is Safer Care. World Health Organization. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK144001/

NSF. (2025, červen 15). Germiest Places at Schools. NSF. https://www.nsf.org/consumer-resources/articles/germiest-places-schools

OpenAI. (2025). ChatGPT (Verze 4.5) [Software]. OpenAI. https://chatgpt.com/chat

Temperature and Microbial Growth | Microbiology. (2025, 06). Suny OER Services. https://courses.lumenlearning.com/suny-microbiology/chapter/temperature-and-microbial-growth/