Biofilm in water distribution systems
水道システムで見つかる微生物は、土着(自己起源)と外来(自己起源)に分類される。 土着菌は適応性の高いバイオフィルム形成菌であり、根絶することが困難な安定した生態系を代表する。
配水系統における恒久的なバイオフィルムの形成は、いくつかの微生物群が固体表面/水界面でのコロニー形成と増殖に寄与する物理的および化学的条件を見出すことによって起こる。 これらの条件には、成長のための十分な栄養分(同化可能な有機炭素、AOC によって測定されるなど)、比較的安定した温度、および水殺菌剤などの有害な化学物質への暴露からある程度保護されることが含まれます。
配水システム全体で適切な殺菌剤の残留が維持されると、微生物の成長は通常よく制御され、パイプを通るバルク水中の細菌密度は低いまま、< 10 から数百 CFU ml- 1(HPC)の範囲にとどまります。 しかし、バイオフィルム内の細菌密度は数桁高く、1×105 CFUcm- 2(HPC)以上となる場合がある。 細菌の増殖を抑制するために必要な消毒剤の残留濃度は、水系によって異なる。
細菌密度の測定に用いる培地と方法の選択により、従属栄養細菌の数が低くなったり高くなったりすることがある。 一般に、豊富な培地と35℃での培養は、希薄な栄養培地と20~28℃での培養より低いカウントをもたらす。 重要であると思われる要因は、pH、温度、溶存有機炭素(DOC)濃度、AOC濃度、および使用した消毒剤の種類である。 また、消毒剤の残留がシステム全体で維持されれば、広範囲なバイオフィルムの成長を低減または抑制することができる。 それにもかかわらず,培養可能な細菌はごく一部に過ぎない. アデノシン三リン酸(ATP)を測定する方法によって、飲料水サンプル中の生存可能な微生物バイオマスの総量を知ることができます。 最近では、飲料水中に存在する活性細菌を測定・同定するための RNA ベースの方法が開発されています。
消毒剤の残留量は、塩素については少なくとも 0.2 mg l- 1、モノクロラミン(NH2Cl)については 0.4 mg l- 1 であるべきと考えられています。 より高濃度の残留消毒剤を適用し維持することもできるが、水に高濃度のDOCが含まれている場合、細菌の増殖を抑制するのに十分な残留消毒剤を維持し、なおかつ消費者が審美的に受け入れられる水を確保することは困難な場合がある。 配水中の細菌濃度は、処理場から出る水の< 1 CFU ml- 1から、配水システムの流れの遅い場所や淀んだ場所からの水の105-106 CFU ml- 1という高さまで様々である。 水中とパイプ表面のバクテリアの濃度は、配水システム内で空間的、時間的に変化しています。 パイプ壁のバイオフィルムや堆積物中の細菌密度は107CFU cm- 2に達することがあります。
飲料水、堆積物、およびバイオフィルムで一般的に見られる細菌のいくつかを表3に示す。 これらの細菌の多くは、水とバイオフィルムの両方に存在し、配水系統の水の細菌品質にバイオフィルムが影響していることを示している。 実際、バイオフィルムは配水システムにおいて最も顕著に細菌が増殖する場所である。 さらに、このような多種類のバイオフィルムは、病原体が避難できる比較的保護されたマイクロニッシュを形成している。 飲料水中の細菌は、従来の培地や方法(大腸菌群、耐熱性大腸菌群、従属栄養細菌数など)を用いて検出・計数される。 近年、培養に依存しない分子法(DNA法、RNA法)の発達により、水中、バイオフィルム、堆積物などに存在する細菌の多様性が明らかにされ始めている。 DNAやRNAを用いた方法では、まだ培養できない多くの細菌の遺伝子が検出されている
表3. ピアレビューされた科学文献
微生物 | 配水 | 底質 | バイオフィルム | |||
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シュードモナス属菌 バイオフィルム 配水処理した土砂、配水系統バイオフィルムで見つかる微生物の例 | ||||||
X | X | |||||
アルカリゲネス属菌 | X | Alcaligenes sp. | X | X | ||
アシネトバクター属菌 | X | X | ||||
Moraxella spp.・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ | X | X | X | Acinetobacter spp. | X | X |
アルスロバクター属菌 | X | X | Moraxella spp. | X | X | |
コリネバクテリウム属菌 | X | |||||
Bacillus spp.・・・・・・・・・・・・・ | バチルス属菌 | X | X | Corynebacterium spp.・・・・・・・・・・・・ | ||
Bacillus sp. | X | X | ||||
エンテロバクター属菌 | X | X | ||||
マイクロコッカス属菌 | Micrococcus spp. | X | X | |||
フラボバクテリウム属菌 | X | X | ||||
Klebsiella spp.・・・・・・・・・・・・・・・ | X | X | X | X | X | X |
ミコバクテリウム属菌(Mycobacterium spp. | X | X | ||||
Porphyrobacter | X | |||||
ブラストモナス | X | |||||
スフィンゴモナス | X | |||||
ボセア | X | |||||
フェニルバクテリウム | X | |||||
ボセア | ||||||
デルフィア | X | |||||
鉄/イオウ細菌 X | X | |||||
硝化細菌 | X | X | ||||
酵母・菌類 | X | X | ||||
無脊椎動物・原生動物 | X | XX | ||||
腸管ウイルス | X |
鉄バクテリアとイオウバクテリアは味と臭いの問題を引き起こす「厄介」な生物で、しばしば地下水源と関連しています。 硝化細菌および菌類は、全残留塩素の枯渇、アンモニアなどの還元性窒素化合物の亜硝酸塩および硝酸塩への変換、および高レベル従属栄養細菌など、塩素汚染飲料水システムにおいて問題を引き起こします。 無脊椎動物および原生生物は、水質に関する美的苦情に関連する不快な生物である。 無脊椎動物や原生動物は、病原性および非病原性の細菌を体内に、あるいは表面に付着して保有している場合があり、この関連性によって細菌は消毒剤の残留による不活性化からある程度保護されている。 http://www.epa.gov/ogwdw/disinfection/tcr/pdfs/whitepaper_tcr_biofilms.pdf
飲料水におけるバイオフィルムの発生と制御に関する情報はまばらである(EPA, 1992)。 さらに、バイオフィルムの発生における鉄および硫黄細菌の役割、パイプ材料の腐食におけるバイオフィルムの役割、二次消毒剤としてクロラミンを使用するシステムの硝化におけるバイオフィルムの役割、バイオフィルム内の細菌集団に対する添加腐食防止剤の効果など、バイオフィルムに関する他の問題についてのデータは少ない。
塩素またはクロラミンの存在によってバイオフィルムの発生が遅れ、空間分布に影響する。 提供される残留消毒剤の種類によって、使用される特定の消毒剤に対してより耐性がある細菌が選択される。 バイオフィルム環境は、拡散抵抗性と消毒剤の中和により、細胞を保護する。 そのため,バイオフィルム生物はプランクトン細胞よりも残留消毒剤による阻害を受けにくい. バイオフィルムの成長を制御するために、塩素とモノクロラミンの有効性の違いが示されている。 モノクロラミンは反応性が低いため残留性が高く、バイオフィルムに浸透し、バイオフィルムの成長を制御する上で塩素よりも有効であるらしい。
配水システムに侵入した大腸菌群がパイプまたはパイプの堆積物に付着して増殖し、バイオフィルム構成菌となる場合がある。 配水システムの水中にバイオフィルムから大腸菌群が断続的、散発的、または持続的に流出することで、システムが繰り返し総大腸菌数の基準に違反する可能性がある。 この問題は、水温が15℃以上の地表水を使用する公共施設で最も頻繁に発生する。
水道局は、処理作業を見直し、配水システムに入る水の水質の監視を強化して、不適切な処理または処理の失敗が総大腸菌数の発生に関与していないこと、および水中に大腸菌が存在していないことを確認する必要があります。 水道事業者はまた、配水システムの運用管理を見直し、大腸菌が存在しないこと、消毒剤が残留していること、適切な交差接続制御プログラムが有効であること、微生物汚染物質の侵入を防ぐために適切な圧力が維持されていることを確認する必要があります。 最後に、水道事業者は、貯水池、スタンドパイプ、または地上タンクに貯蔵されている大量の水が、総大腸菌数の問題の原因でないことを確認する必要があります。
温水期には、配水システムのすべての部分で水中の消毒剤残量を維持することがより困難になります。 温度が高くなると、殺菌剤は水中およびバイオフィルム中の溶存有機化学物質とより急速に反応し、細菌はより速く増殖します。 反応速度の増大と細菌の増殖は、システムの水力学とシステム全体の実際の水の動きに関する知識の欠如によって、しばしば悪化します。 多くの場合、水の動きがほとんどない広い領域が存在します。 多くの水道事業者は、システムがどのように機能しているかを理解していないために、微生物や化学汚染物質の問題を引き起こしている可能性があり、より良いシステム管理によってこれらの問題を減らすことができます。