Handout Mikrobiologie - Verband der Installations
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… Wasser jeglicher Art ist Lebensraum fü für eine Mikrobiologie Universität für Bodenkultur Wien Department für Wasser-AtmosphäreUmwelt Franziska Zibuschka unterschiedlich groß große Anzahl von unterschiedlichen Mikroorganismen Institut fü für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewä Gewässerschutz Franziska Zibuschka VIZVIZ-Seminare: Wasserfü Wasserführende Systeme in der Haustechnik Nutzungsorientierte Betrachtungsweise Hotel Paradies, Graz Abteilung für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz 7. November 2006 Institut für Wasservorsorge, Gewässerökologie und Abfallwirtschaft Universität für Bodenkultur Organismen: Faktoren → beeinflussen die Wassergü Wassergüte in erwü erwünschter oder unerwü unerwünschter Weise → begü begünstigen oder erschweren die Nutzung 1 2 Der Begriff „Mikroorganismen“ Mikroorganismen“ ist nicht standardisiert und umfasst unterschiedliche Arten Gemeinsames Merkmal der Mikroorganismen → Gütezustand von Trinkwasser aus geringe Abmessung → Vielzahl von N a c h w e i s m e t h o d e n mikrobiologischer Sicht Zu den Mikroorganismen zä zählen Æ Viren, Phagen Æ Mikroorganismen ohne echten Zellkern (Prokaryonten (Prokaryonten)) ∗ Bakterien ∗ Blaualgen Æ Mikroorganismen mit echtem Zellkern ∗ niedere Pilze ∗ tierische Einzeller (Protozoen) ∗ tierische MehrMehr- und Vielzeller (Metazoen (Metazoen)) 3 4 1 Mikrobiologische Parameter und Indikatorparameter für Trinkwasser Mikrobiologische Parameter und Indikatorparameter nach Trinkwasserverordnung Wert fü für nicht desinfiziertes Trinkwasser Wert fü für desinfiziertes Trinkwasser E. coli 0/100 ml 0/250 ml Enterokokken 0/100 ml 0/250 ml Pseudomonas aeruginosa 0/100 ml 0/250 ml Clostridium perfringens 0/100 ml 0/250 ml Wert fü für nicht desinfiziertes Trinkwasser Wert fü für desinfiziertes Trinkwasser KBE bei 22° 22° C 100/ml 10/ml KBE bei 37° 37° C 20/ml 10/ml 0/100 ml 0/250 ml Parameter Indikatorparameter Coliforme Bakterien 5 Kurze Beschreibung der mikrobiologischen Parameter und Indikatorparameter fü für Trinkwasser 6 Was im Sinne des Gesetzgebers unter coliformen Bakterien zu verstehen ist wird durch keine Definition exakt festgelegt, festgelegt, sondern ergibt sich aus der angewandten Untersuchungstechnik → z.B. Flü Flüssigansatz (Gasbildung, Sä Säurebildung) oder Membranfiltertechnik Mikrobiologische Parameter Weitere Begriffe im Zusammenhang mit E. coli und coliformen Bakterien 1. E. coli - coliforme Bakterien Escherichia coli und Coliforme Bakterien sind Stä Stäbchenbakterien → gehö gehören zur Familie der Enterobacteriaceae Faekalcoliforme, Faekalcoliforme, Totalcoliforme, Totalcoliforme, thermotolerante Coliforme, Coliforme, Enterohaemorrhagische E coli (EHEC) TergitolTergitol-Agar: Agar: E. coli und Coliforme bilden gelbe Kolonien, das Medium verfä verfärbt sich unter den Kolonien gelb ChromocultChromocult-Agar: Agar: E. coli: coli: blaue Kolonien Eine Differenzierung zwischen E. coli und coliformen Bakterien ist nicht mö möglich Coliforme: Coliforme: rosarote Kolonien Abb.: E. coli und Coliforme, Coliforme, Chromocult 7 Abb. Totalcoliforme, Totalcoliforme, Tergitol 8 2 2. Enterokokken Indikativer Wert der coliformen Bakterien synonym = Fä Fäkalstreptokokken die betreffenden Bakterien kö können fä fäkalen Ursprungs sein (Oberflä (Oberflächenwasser, Abwasser) jedoch nur ein positiver Escherichia colicoli- Nachweis (Bestä (Bestätigung durch einen Test) ist ein “echter” echter” Hinweis auf eine fäkale Belastung positiver Nachweis von Enterokokken → hohe Wahrscheinlichkeit einer fäkalen Verunreinigung Keime vermehren sich kaum im Wasser sind ± Indiz fü für eine lä länger zurü zurückliegende Kontamination Überlebensdauer: kann größ er sein als die von E. coli und größer Coliformen Chlorresistenz: ± doppelt so hoch als bei E. coli Abb. APIAPI-Streifen, Testverfahren zur Bestä Bestätigung eines positiven E. colicoli-Befundes Abb. Enterokokken, Enterokokken, Slanetz & Bartley 9 10 3. Pseudomonas aeruginosa 4. Clostridien ubiquitä ubiquitäre, re, feuchtigkeitsliebende und widerstandsfä widerstandsfähige Bakterienart mit geringen Nä Nährstoffansprü hrstoffansprüchen Sulfitreduzierende Clostridien = sulfitreduzierende sporenbildende Anaerobier Vorkommen: nach der charakteristischen Art dieser uneinheitlichen Gruppe auch auch als Clostridium perfringens (Gasbranderreger) bezeichnet - im Darmkanal bei Mensch und Tier - im Boden, an Pflanzen, im Abwasser Positiver Nachweis von ClostridienClostridien-Sporen: Sporen: - im kontaminierten Trinkwasser (Leitungssystem) - im Krankenhausbereich (generalisierte Infektion) - zeigt Verunreinigungen an, welche fä fäkaler Natur sein kö können diese Verunreinigungen kö können sehr lange zurü zurückliegen (Sporenresistenz!) - im Badewasser (Infektion von Ohr und Haut) - Sporen kö können Desinfektionsmaß Desinfektionsmaßnahmen widerstehen Problem: Vorkommen von Pseudomonas aeruginosa in Gerä Geräten zur Trinkwasseraufbereitung - ubiquitä ubiquitärer, rer, feuchtigkeitsliebender, feuchtigkeitsliebender, widerstandsfä widerstandsfähiger Mikroorganismus (z.B. Ionenaustauscher) 11 12 3 Mikrobiologische Indikatorparameter 1. Koloniezahl pro Milliliter Koloniezahl - koloniebildende Einheiten (KBE) Bestimmung der Koloniezahl (KBE/ml) = gesetzlich vorgeschriebene konventionelle Nachweismethode auf Basis einer Kultivierung (ISO 6222) → „Gold Standard“ Standard“ → Wachstum von Kolonien unterschiedlicher Größ e → festgelegte Bebrü Größe Bebrütungszeit und -temperatur In der Praxis der Gü Gütekontrolle von Trinkwasser wird unter Koloniezahl die Populationsdichte jener durch Kultivierung erfassbaren Keime verstanden, die unter hygienisch oder technisch kritischen Bedingungen in größ erer Zahl auftreten größerer (BGBl. II/304, 2001; ÖLMB, Kapitel B1, 2002) In einer Wasserprobe kö können Bakterien einzeln, in Verbä Verbänden oder an Partikel adsorbiert vorkommen. Aus diesem Grund muss die Zahl der Kolonien Kolonien nicht mit der tatsä tatsächlichen Zahl der entwicklungsfä entwicklungsfähigen und kultivierbaren Keime übereinstimmen. Kultivierbare Keime kö können in einen VBNC (viable (viable but not culturable) culturable) - Zustand übergehen. Eine groß große Anzahl der im Wasser lebenden Bakterien sind nicht kultivierbar. kultivierbar. Wirkungsgrad: 0,1 bis 10 % der tatsä tatsächlich vorhandenen Mikroorganismen werden mit dieser UntersuchungsUntersuchungstechnik erfasst Abb. Bakterienkolonien auf bzw. in 13 einem Nä Nährmedium Im Zusammenhang mit T r i n k w a s s e r u n t e r s u c h u n g e n i n f o r m i e r t die ermittelte K o l o n i e z a h l über: ∗ Grad der Verunreinigung mit organischen, biologisch verwertbaren verwertbaren Stoffen ∗ Wirksamkeit der Wasseraufbereitung 14 Aussagekraft von mikrobiologischen Standarduntersuchungen (TVO) Unverzichtbare zweckdienliche Untersuchungstechnik zur Qualitä Qualitätsbestimmung von Trinkwasser („ („Golden Standard“ Standard“) Die Methode geht auf Robert Koch (1883) zurü zurück ∗ Wirksamkeit der Desinfektion ∗ Fremdwassereinbrü Fremdwassereinbrüche in Wasserversorgungssystemen Kritikpunkte: ∗ zeitzeit- und materialabhä materialabhängige Einflü Einflüsse bei der Verteilung des Wassers im Leitungsnetz (Wiederverkeimung, Biofilmbildung) • Lange Analysedauer • Aussagekraft um Probleme lö lösen zu kö können oft zu weitere Anwendungsbereiche: Kontrolle von BrauchBrauch- und Badewasser, Gütebestimmung von GrundGrund- und Oberflä Oberflächenwasser 15 gering 16 4 Herkunft der Mikroorganismen Rohwasser Erhö Erhöhte Keimdichten im Trinkwasser als Folge einer unzureichenden Aufbereitung und/oder Desinfektion Rohwasser unzureichende Mikroorganismen Wiederverkeimung Rekontamination Aufbereitung, Desinfektion 17 Rekontamination 18 Wiederverkeimung Erhö Erhöhte Keimdichten im Trinkwasser als Folge eines lokalen Eintrags von Auß Außen → Rohrbrü Rohrbrüche, Verlegung von Leitungen, Reparaturarbeiten… Reparaturarbeiten… Durch Vorhandensein einer ausreichenden Menge bakterienverfü bakterienverfügbarer Substanzen kommt es wä während der Verteilung des Wassers im Leitungsnetz zu Koloniezahlerhö Koloniezahlerhöhungen NahrungsNahrungs- Eintrag Mikroorganismen Mikroorganismen von Auß Außen stoffe 19 20 5 Beispiel fü für ein zur Wiederverkeimung neigendes Trinkwasser weitere Begriffe Nachverkeimung, Aufkeimung ≠ Rekontamination 7.500 operationaler Gü Gütebegriff biologisch stabiles Wasser 400 240 300 200 Zur Abschä Abschätzung des Gefä Gefährdungspotentials stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfü Verfügung. Netzstelle 4 Netzstelle 3 32 Netzstelle 2 9 0 Netzstelle 1 17 Desinfektion 0 38 Aufbereitung 100 Rohwasser KBE/ml, 22°C, 72 h 500 Abb.: Koloniezahlen ausgewä ausgewählter Wasserproben 21 22 Legionellen Nachverkeimung Liste von bisher festgestellten Mikroorganismen ∗ unterschiedliche Vertreter der saprophytischen Mikroflora ∗ coliforme Bakterien ∗ Pseudomonaden ∗ Mycobakterien (emerging pathogens) pathogens) ∗ Flavobakterien ∗ Legionellen (Wirtszellen, Trojan horses) horses) ∗ .... • kommen in der aquatischen Umwelt in geringer Anzahl vor • vermehren sich innerhalb von wasserfü wasserführenden Systemen zu einer (noch nicht bekannten) infektiö infektiösen Konzentration (Infektionsdosis) • werden aus dem Wasser via Aerosole auf den Menschen übertraten • Krankheitsbilder (Legionellose (Legionellose)) - GrippePontiac-Fieber“ Fieber“) Grippe-ähnliches Fieber („Pontiac- schwere Lungenentzü Lungenentzündung Legionella pneumophila: pneumophila: 98% der Legionellosen Trotz verbesserter Kenntnisse und Medikamente (Antibiotika) → vereinzelt Todesfä Todesfälle Durchschnittlich sterben in den USA tä täglich 11 Personen an einer Legionelleninfektion; Legionelleninfektion; 57 werden infiziert und überleben, jedoch z.T. z.T. mit lebenslanger Beeinträ Beeinträchtigung (Water (Water 21, Dec. Dec. 2005) 24 6 Bewertung von Legionellenbefunden sowie erforderliche Maß Maßnahmen Legionellen – vorbeugende Maß Maßnahmen und Sanierungen Quelle: W 551, 9.5 Legionellen Bewertung der Kontamination Auswahl Maß Maßnahmen [KBE/100 ml] > 10.000 extrem hohe unverzü unverzüglich; glich; Nutzungseinschrä Nutzungseinschränkung > 1.000 hohe Sanierung kurzfristig ≥ 100 mittlere Sanierung mittelfristig < 100 keine / geringe - keine Überdimensionierung von Behä Behältern und Leitungsnetzen - Optimierung der Zirkulation im Leitungsnetz keine • betriebstechnische Maß Maßnahmen - geringe Temperaturunterschiede im KaltwasserKaltwasser- und im Warmwassersystem Quelle: Legionellenreferenzzentrale Wien KBE/100 ml (Mischbatterien erst kurz vor dem Verbraucher installieren) Maßnahmen Überprüfungsintervall Nicht nachweisbar Keine 1 Jahr 1 -100 Keine 1 Jahr Sanierung angebracht bei Legionella pneumophila Serogroup 1 Kontrolle nach 14 Tagen Hohe Konzentration Sanierung sollte erfolgen Periodisch (Hohe Konzentration) > 10.000 Sanierung erforderlich, Duschverbot Periodisch (Geringe bis mässige Konzentration) 1.001-10.000 - gleichmäß ige Nutzung aller Strä gleichmäßige Stränge und Zapfstellen • verfahrenstechnische Maß Maßnahmen (Konzentration im Toleranzbereich) 101-1.000 • bautechnische Maß Maßnahmen - Installation von Desinfektionssystemen (Sehr hohe Konzentration) 25 Es gibt keine Patentlö Patentlösung zur nachhaltigen Entfernung von Legionellen aus kontaminierten Installationssystemen 27 26 ...eine wichtige Komponente im Zusammenhang mit Aufkeimungen des Trinkwassers B i o f i l m e 28 7 Biofilmentwicklung* Biofilme als Reservoir fü für Mikroorganismen Sobald Materialoberflä Materialoberflächen mit Trinkwasser in Kontakt kommmen → dünne Schicht organischer Molekü film“) Moleküle („preconditioning film“ Neben der Wasserphase bilden die Biofilme einen weiteren Lebensraum für Mikroorganismen. Anlagerung von Bakterien aus der Freiwasserphase Bestandteile von Biofilmen ∗ Mikroorganismen unterschiedliche Mö Möglichkeiten der weiteren Biofilmentwicklung abhä (Nährstoffgehalt im Wasser; abhängig von Einflussfaktoren (Nä ∗ extrazellulä extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) betriebstechnische Bedingungen) ∗ eingelagertes partikulä partikuläres Material ∗ gelö gelöste Stoffe weitere Anlagerungen planktischer Zellen (hö (höherer Nä Nährstoffgehalt im Wasser) oder Vermehrung bereits anhaftender Zellen Stä Stärke von Biofilmen in Trinkwasserversorgungssystemen: ca. 100 µm (Substratlimitierung im Wasser) 29 Biofilme und Gü Gütezustand des Trinkwassers Den im gesamten Verteilungssystem vorhandenen Biofilmen wird ein mehr oder weniger starker Einfluss auf den Gütezustand des Trinkwassers zugesprochen * nach SZEWZYK (1996) 30 ∗ Keimwachstum innerhalb des Verteilungssystems → überwiegend im Biofilm auf den Materialoberflä Materialoberflächen ∗ Aufkeimungen im Netz im Wesentlichen durch Keimeinträ Keimeinträge aus den Biofilmen in den Wasserkö Wasserkörper ∗ Keimeintrag findet nur bei instabilen Bedingungen im Netz statt (plö (plötzlicher Anstieg der Nä Nährstoffkonzentration, schwankende RestRestkonzentrationen von Desinfektionsmitteln) ∗ Bei stabilen Bedingungen: Bedingungen: niedrige Koloniezahl im Verlauf der Verteilung von Trinkwasser trotz Vorliegen von „erhö erhöhtem“ htem“ Nährstoffgehalt (z.B. AOC > 10 µg acac-C eq/l) eq/l) * Abschlussbericht zum DVGW Forschungsvorhaben W50/99 (2003) 32 8 Biofilme und Trinkwasserqualitä Trinkwasserqualität - Beispiel aus der Praxis (1) Ergebnisse von Koloniezahlbestimmungen sowie Bestimmungen des Wachstumspotentials vor und nach Änderung der Betriebsweise Beispiel fü für den Zusammenhang zwischen Biofilm und Wasserqualitä Wasserqualität Netzstellen Ausgangswert Endwert Netzstellen Ausgangswert Endwert 1 1.400 20.000 1 11 1.900 2 5 43.000 2 18 38 3 10 300 3 17 62 4 17 600 4 25 15 5 280 3.100 5 63 165 6 134 1.000 6 68 100 7 2.500 3.100 7 11 107 8 2.000 2.400 8 26 43 9 1.300 4.400 9 19 61 10 235 4.200 10 135 500 Aufkeimungsstandversuche (HEA, 22° 22°C) Werte vor Änderung der Betriebsweise Aufkeimungsstandversuche (HEA, 22° 22°C) Werte nach Änderung der Betriebsweise 34 Biofilme und Trinkwasserqualitä Trinkwasserqualität - Beispiel aus der Praxis (2) Allgemeines Uferfiltrat als Rohwasser keine Aufbereitung, Desinfektion mittels UVUV-Bestrahlung Problem Belä UV-Bestrahlung) Beläge im Wasserzä Wasserzähler (nach UVAblagerungen im Hochbehä Hochbehälter 1. Abhilfemaß Abhilfemaßnahme Austausch eines Filters (Porenweite 100 µm, silberbeschichtet) silberbeschichtet) an einer Netzstelle (Wohnhausanlage) 35 36 9 37 Biofilme und Trinkwasserqualitä Trinkwasserqualität - Beispiel aus der Praxis 38 (3) Wodurch wird das Wachstum von Biofilmem gefö gefördert ? Kleingerä Kleingerät zur Nachbehandlung von Trinkwasser • durch Nä Nährstoffe - aus dem Wasser - aus den Materialien Vergleich der Koloniezahlen zwischen Zulauf (Trinkwasser) und Ablauf des Gerä 22°C, 72 h, HefeextraktHefeextrakt-Agar) Agar) Gerätes (KBE/ml, 22° Wodurch wird das Wachstum von Biofilmen gehemmt ? • durch Biozide 960 KB E /m l, 22°C H efextrakt-A g ar 1.000 - Desinfektionsmittel im Wasser - mikrobiozide Stoffe in den Materialien 800 600 400 200 0 2 Zulauf Prüfmethoden Filterablauf 39 40 10 Prü Prüfmethoden Material Trinkwasser DVGWDVGW-Regelblatt W 270 Bestimmung des Wachstumspotentials ÖNORM 5018 Bewertung von Rohrmaterialien (Auswahl) Allgemeines umfassende Trinkwassertauglichkeit von Rohrmaterialien schwierig zu bestimmen (komplex, nur stufenweise zu klä klären) (Aufkeimungsstandversuche) Unterscheidung mö möglich in ∗ grundsä grundsätzliche Eignung ∗ keine Eignung Unified Biofilm Approach 41 Ausblick: Problem – Lösung 42 Rolle der Mikrobiologie im Team • liefert Wissensgrundlagen über die Vielfalt biologischer Prozesse im Zusammenhang mit TrinkTrink-, BrauchBrauch- und Abwasser • ermö ermöglicht eine umfassende Ursachenabklä Ursachenabklärung beim Auftreten von Problemen Problem komplex • schafft dadurch die Voraussetzung fü für eine zielgerichtete, interdisziplinä interdisziplinäre Entscheidungsfindung zur Behebung von Problemen • ist in der Lage die Sinnhaftigkeit von technischen Maß Maßnahmen zu bewerten Lösung nur im Team mö möglich (Analytik: Standardverfahren, erweiterte Untersuchungsprogramme) 44 11
