Exogene Bakterien

Biofilme in Wasserverteilungssystemen

Mikroben in Wasserverteilungssystemen lassen sich in einheimische (autochthone) und exogene (allochthone) Populationen unterteilen. Bei den einheimischen Organismen handelt es sich um gut angepasste, biofilmbildende Bakterien, die ein stabiles Ökosystem bilden, das nur schwer auszurotten ist. Bei den exogenen Bakterien handelt es sich um Verunreinigungen, die durch verschiedene Mechanismen in das System gelangen.

Die Entwicklung eines permanenten Biofilms im Verteilungssystem erfolgt, weil verschiedene Mikrobengruppen physikalische und chemische Bedingungen vorfinden, die eine Besiedlung und ein Wachstum an der Schnittstelle zwischen fester Oberfläche und Wasser begünstigen. Zu diesen Bedingungen gehören eine reichliche Versorgung mit Nährstoffen (z. B. gemessen am assimilierbaren organischen Kohlenstoff, AOC) für das Wachstum, eine relativ stabile Temperatur und ein gewisser Schutz vor schädlichen Chemikalien wie Wasserdesinfektionsmitteln.

Wenn ein angemessener Desinfektionsmittelrückstand im gesamten Verteilungssystem aufrechterhalten wird, ist das mikrobielle Wachstum in der Regel gut kontrolliert, und die Bakteriendichte im Wasser, das durch die Rohre fließt, bleibt niedrig – im Bereich von < 10 bis einigen hundert KBE ml- 1 (HPC). Die Bakteriendichte im Biofilm kann jedoch um mehrere Größenordnungen höher sein und bis zu 1 × 105 KBEcm- 2 (HPC) betragen. Die Desinfektionsmittel-Restkonzentration, die zur Kontrolle des Bakterienwachstums erforderlich ist, variiert von einem Wassersystem zum anderen.

Die Wahl des Mediums und der Methode zur Bestimmung der Bakteriendichte kann zu einer niedrigen oder hohen Anzahl heterotropher Bakterien führen. Im Allgemeinen führen reichhaltige Nährmedien und eine Bebrütung bei 35 °C zu niedrigeren Zählungen als verdünnte Nährmedien und eine Bebrütung bei 20-28 °C. Entscheidende Faktoren scheinen der pH-Wert, die Temperatur, die Konzentration an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC), die AOC-Konzentration und die Art des verwendeten Desinfektionsmittels zu sein. Die Desinfektionsmittelrückstände reduzieren oder unterdrücken auch das umfangreiche Biofilmwachstum, wenn die Rückstände im gesamten System aufrechterhalten werden. Dennoch ist nur ein kleiner Teil der Bakterien kultivierbar. Methoden, die Adenosintriphosphat (ATP) messen, können einen Eindruck von der gesamten lebensfähigen mikrobiellen Biomasse in einer Trinkwasserprobe vermitteln. In jüngster Zeit wurden Methoden auf RNA-Basis entwickelt, um die im Trinkwasser vorhandenen aktiven Bakterien zu messen und zu identifizieren.

Desinfektionsmittelrückstände sollten mindestens 0,2 mg l- 1 für Chlor und 0,4 mg l- 1 für Monochloramin (NH2Cl) betragen. Höhere Konzentrationen von Desinfektionsmittelrückständen können angewandt und aufrechterhalten werden, aber wenn das Wasser einen hohen DOC-Gehalt aufweist, kann es schwierig sein, einen angemessenen Desinfektionsmittelrückstand aufrechtzuerhalten, um das Bakterienwachstum zu kontrollieren und dennoch Wasser zu erhalten, das für die Verbraucher ästhetisch akzeptabel ist. Die Bakterienkonzentrationen im Verteilungswasser schwanken zwischen < 1 KBE ml- 1 im Wasser, das die Kläranlage verlässt, und bis zu 105-106 KBE ml- 1 im Wasser aus langsam fließenden oder stehenden Bereichen des Verteilungssystems. Die Bakterienkonzentrationen im Wasser und auf den Rohroberflächen variieren räumlich und zeitlich im Verteilungssystem. Die Bakteriendichte im Biofilm der Rohrwand und in den Sedimenten kann 107 KBE cm- 2 erreichen. Der Biofilm trägt durch Scherverlust (Erosion) und durch die Wanderung aktiv beweglicher Bakterienzellen in das Wasser Bakterien in das fließende Wasser ein.

Eisen- und Schwefelbakterien sind „lästige“ Organismen, die Geschmacks- und Geruchsprobleme verursachen und häufig mit Grundwasserquellen in Verbindung gebracht werden. Nitrifizierende Bakterien und Pilze verursachen Probleme in mit Chlor verseuchten Trinkwassersystemen, einschließlich der Erschöpfung des Gesamtchlorgehaltes, der Umwandlung von reduzierten Stickstoffverbindungen wie Ammoniak in Nitrit und Nitrat und hoher Mengen heterotropher Bakterien. Wirbellose Tiere und Protozoen sind lästige Organismen, die mit ästhetischen Beschwerden über die Wasserqualität in Verbindung gebracht werden. Wirbellose und Protozoen können auch pathogene und nicht-pathogene Bakterien beherbergen, entweder in ihrem Inneren oder an ihrer Oberfläche, und diese Verbindung bietet den Bakterien einen gewissen Schutz vor der Inaktivierung durch Desinfektionsmittelrückstände. http://www.epa.gov/ogwdw/disinfection/tcr/pdfs/whitepaper_tcr_biofilms.pdf

Informationen über die Entwicklung und Kontrolle von Biofilmen im Trinkwasser sind spärlich (EPA, 1992). Darüber hinaus gibt es nur wenige Daten zu anderen Fragen im Zusammenhang mit Biofilmen, einschließlich der Rolle von Eisen- und Schwefelbakterien bei der Entwicklung von Biofilmen, der Rolle von Biofilmen bei der Korrosion von Rohrmaterial, der Rolle von Biofilmen bei der Nitrifikation in Systemen, die Chloramine als sekundäres Desinfektionsmittel verwenden, und der Wirkung von zugesetzten Korrosionsinhibitoren auf Bakterienpopulationen in Biofilmen.

Das Vorhandensein von Chlor oder Chloramin verzögert die Entwicklung und beeinflusst die räumliche Verteilung von Biofilmen. Die Art der Desinfektionsmittelrückstände selektiert Bakterien, die toleranter gegenüber dem verwendeten Desinfektionsmittel sind. Die Biofilmumgebung bietet den Zellen Schutz durch Diffusionswiderstand und Neutralisierung des Desinfektionsmittels. Daher werden Biofilmorganismen durch die Desinfektionsmittelrückstände weniger gehemmt als planktonische Zellen. Die unterschiedliche Wirksamkeit von Chlor und Monochloramin bei der Kontrolle des Biofilmwachstums ist erwiesen. Da Monochloramin weniger reaktiv und daher beständiger ist, kann es offenbar in den Biofilm eindringen und ist bei der Kontrolle des Biofilmwachstums wirksamer als Chlor.

In einigen Fällen können sich coliforme Keime, die in das Verteilungssystem gelangen, an Rohren oder Rohrsedimenten festsetzen und sich vermehren und so zu einem Bestandteil des Biofilms werden. Die intermittierende, sporadische oder anhaltende Ausschleppung coliformer Bakterien aus Biofilmen in das Wasser des Verteilungssystems kann dazu führen, dass Systeme wiederholt die Normen für gesamtcoliforme Bakterien verletzen. Dieses Problem tritt am häufigsten bei Versorgungsunternehmen auf, die eine Oberflächenwasserversorgung mit einer Wassertemperatur von ≥ 15 °C nutzen. Die öffentliche Sicherheit gebietet es, dass alle bei Tests festgestellten coliformen Keime als Anfälligkeit des Systems betrachtet werden, es sei denn, es liegen stichhaltige Beweise für das Gegenteil vor.

Das Versorgungsunternehmen sollte seine Aufbereitungsvorgänge überprüfen und die Überwachung der Qualität des Wassers, das in das Verteilungssystem gelangt, verstärken, um sicherzustellen, dass eine unzureichende oder fehlgeschlagene Aufbereitung nicht für das Auftreten von Gesamtcoliformen verantwortlich ist und dass E. coli nicht im Wasser vorhanden ist. Das Wasserversorgungsunternehmen sollte auch den Betrieb und die Verwaltung des Wasserverteilungssystems überprüfen, um sicherzustellen, dass keine E. coli vorhanden sind, dass ein Desinfektionsmittelrückstand vorhanden ist, dass ein angemessenes Programm zur Kontrolle von Querverbindungen in Kraft ist und dass ein angemessener Druck aufrechterhalten wird, um das Eindringen von mikrobiellen Verunreinigungen zu verhindern. Schließlich sollte das Wasserversorgungsunternehmen sicherstellen, dass große Wassermengen, die in Reservoirs, Zapfstellen oder oberirdischen Tanks gelagert werden, nicht die Ursache für das Problem der Gesamtcoliformen sind.

In Warmwasserperioden ist es schwieriger, einen Desinfektionsmittelrückstand im Wasser in allen Teilen des Verteilungssystems aufrechtzuerhalten. Mit steigender Temperatur reagiert das Desinfektionsmittel schneller mit gelösten organischen Chemikalien im Wasser und im Biofilm, und die Bakterien wachsen schneller. Erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten und Bakterienwachstum werden oft durch mangelnde Kenntnisse der Systemhydraulik und der tatsächlichen Wasserbewegung im System verstärkt. In vielen Fällen gibt es große Bereiche, in denen sich das Wasser nur minimal bewegt. Viele Wasserversorgungsunternehmen verursachen Probleme mit mikrobiellen oder chemischen Verunreinigungen, weil sie nicht verstehen, wie ihre Systeme funktionieren; ein besseres Systemmanagement kann diese Probleme verringern.