Den 23 augusti ventilerades Mikael Danielssons licentiatavhandling ”Mikrobial monitoring of drinking water systems” vid avdelningen för teknisk mikrobiologi vid LTH i Lund. Opponent var professor Olof Bergstedt från Göteborg Kretslopp och vatten och Chalmers. Mikael Danielssons licentiatavhandling består av 61 sidor sammanfattning av hans forskning och två uppsatser.
Av: Kenneth M Persson
Danielsson har undersökt två konkreta distributionsfall i Stockholm och Varberg med hjälp av moderna molekylära metoder. I Stockholm detaljstuderade han Oxbergets vattentorn i Vallentuna som huvudsakligen försörjs med dricksvatten från Norrvattens Görvälnverk. I Varberg undersökte han effekterna i ledningsnätet av att ta bort kloramindesinfektion, vilket möjliggjordes av att VIVAB:s vattenverk Kvarnagården i Varberg kompletterats med bland annat ultrafiltrering så att distribuerat dricksvatten snart sagt var bakteriefritt.
Danielsson har använt traditionella mikrobiella övervakningsmetoder som agarodling på platta och partikelhaltsmätning och jämfört dem med flödescytometri, sekvensering av DNA som extraherats ur planktoniska mikroorganismer och mikroorganismer från prover av biofilmen, samt generell aktivitetsmätning genom att mäta förekomsten av ATP, energipaketen som alla celler använder för att försörja biokemiska processer med kemisk energi. Han har samarbetet med flera i den forskargrupp professor Peter Rådström och docent Catherine Paul byggt upp på avdelningen för teknisk mikrobiologi, men självständigt förfinat flera metoder för provtagning och analys.
Den första studien omfattade hur den mikrobiella floran i Oxbergets vattentorn varierade under nio veckor genom kontinuerliga mätningar dygnet om. Såväl totalantalet celler (Total cell count, TCC) som totalt antal levande celler (Intact cell count, ICC) mättes med hjälp av flödescytometri. Metoden användes också för att karaktärisera bakteriernas mängd av DNA. Bakterier med en större mängd DNA kallas på engelska high nucleic acid (HNA) medan de med mindre mängd DNA benämns low nucleic acid (LNA). Prover togs också på utgående dricksvatten från Görvälnverket och vid upprepade tillfällen även av den biofilm som växter i vattentornet. DNA från mikroorganismer i dricksvattnet och från vattentornets biofilm extraherades och sekvenserades för att identifiera vilka organismer som förekom på olika platser i vattentornet.
Genom mätningarna var det möjligt att relatera variationen av mikroorganismer som funktion av vattnets uppehållstid i vattentornet, det hydrauliker brukar kalla vattnets ålder. I viss omfattning var det också möjligt att bestämma om vattentornets biofilm påverkade dricksvattnets bakteriesammansättning i tid. Det var även möjligt att se hur vattennivån i tornet inverkade på bakteriesammansättningen och bakteriemängden.
Danielsson redovisar fördelningen av HNA- och LNA-bakterier i vattentornet och variationen i tid. Uppehållstiden påverkade mängden bakterier men än mer typen av bakterier i dricksvattnet. Under fyra noga kontrollerade sekvenser styrdes vattennivån aktivt mot att sänka den så långt möjligt för att forcera en kort uppehållstid i tornet. Ökande uppehållstid ökade mängden HNA-bakterier och vice versa. Med hjälp av strategisk styrning av vattentornet kunde vattenåldern i tornet minskas föratt samtidigt minska den bakteriella tillväxten. Sekvenseringen av dricksvattnets och biofilmens bakterie – DNA visade att flera bakteriesläkten ökade i antal när uppehållstiden ökade. Speciellt ökade mängden Polaromonas som också växer på agarplatta när 3d totalantal mikroorganismer odlades. Biofilmen i vattentornet var inte homogen utan hade tydliga band med olika bakteriekaraktäristika beroende på avståndet från tornets högsta vattennivå. Även biofilmen som flyter på vattenytan avvek i sammansättning från tornväggens biofilm. Genom att förkorta uppehållstiden så långt som möjligt minskade HNA-bakteriernas andel betydligt. På botten av vattentornet finns viss mängd sediment, som inte får resuspenderas. Vid styrning av vattennivån är det därför önskvärt att inte sänka den för långt ned så grumling undviks, men att ändå använda så stor del av vattenvolymen som möjligt för att omsätta vattnet i tornet varje dygn. Då kan andelen HNA-bakterier hållas nere i dricksvattnet.
I den andra studien undersöktes vad som händer i Varbergs ledningsnät med mikrobiell vattenkvalitet och biofilm när desinfektion med kloramin upphör. Kloramin som namnet säger är en desinfektionskemikalie tillverkad av klor och ammonium. Ammonium kan metaboliseras av kväveoxiderande bakterier vilket betyder att kloramin inte bara har en desinficerande effekt utan också en gödande effekt på kväveoxiderande bakterier i biofilmen i ledningsnätet. När kloramin inte längre tillförs till ledningsnätet får de kväveoxiderande bakterierna mindre substrat och får svårare att tillväxa. Studien visade hur den bakteriella sammansättningen I biofilmen ändrades när inga extra kväveföreningar tillfördes dricksvattnet. Studien visade att bakterierna i biofilmen anpassade sig till den nya miljön utan kloramin genom att kväveoxiderande bakterier minskade i frekvens. Andra bakterier kunde då tillväxa och en ny och stabil mikrobiell sammansättning utvecklades. Några patogena organismer verkade inte tillväxa, vilket inte heller mättes upp i Oxbergets vattentorn.
Som forskare tidigare påpekat är värdet av agarodling för att bestämma den mikrobiella kvaliteten mycket begränsad. Sekvensering av biofilm och bakterier i dricksvatten visade en stor och varierade flora som inte kunde detekteras med hjälp av agarodling. Mellan 300 och 400 olika bakterieslag kunde identifieras med DNA-sekvensering, medan 3-10 bakterieslag växte på agarplatta. Värdet av 3d odling kan av många olika skäl ifrågasättas som en modern metod att kontrollera den generella statusen av bakterier i dricksvatten, påpekar Danielsson.
Licentiatavhandlingen demonstrerar elegant värdet av att använda flödescytometri för att förstå mikrobiell dricksvattenkvalitet och övervaka denna i ledningsnätet. Mätningarna genererar stora mängder data och med hjälp av maskininlärning och mönsterigenkänning av fördelningen mellan levande celler (ICC), totalantalet celler (TCC) och proportionen HNA/LNA kan flödescytometri tas in som en nära nog realtidsmätning av mikrobiell vattenkvalitet. Kanske är det läge för Livsmedelsverket att bejaka denna utveckling och tillåta huvudmännen att använda flödescytometri i stället för 3d agarodling för att ge en korrekt bild av dricksvattnets allmänna status? Danielsson diskuterar också hur DNA-sekvensering skulle kunna inriktas mot att identifiera specifika patogener eller indikatororganismer för patogen påverkan. Han menar att en utveckling av molekylära tekniker kan leda fram till sådana betydligt snabbare metoder också för att identifiera patogener i vattnet.
Bör de vattenverk som använder kloramin sluta med detta? Danielsson menar att mer forskning behövs. Kloramin hjälper till att minska 3d totalantal mikroorganismer. Men dessa ger bara en begränsad bild av den totala mikrobiella statusen. Varje vatten, vattenverk och ledningsnät är unikt. Svaret på frågan om kloramin behövs kräver fallspecifik kunskap om hela systemet, eftersom målet med all dricksvattenförsörjning är att leverera säkert dricksvatten dygnet om, året om. För Varberg där allt vatten ultrafiltrerats och levereras nära nog bakteriefritt till nätet, var det tydligt att kloramin inte tillförde extra säkerhet. Tvärtom observerades många positiva effekter när kloramindoseringen upphörde. Det mikrobiella samhället förändrades genom att nitrifikationsbakterier blev färre. Istället uppstod en ökad bakteriell mångfald utan känd skadliga egenskaper. Danielsson ser fram emot flera fallstudier från flera vattenverk och distributionssystem som kommer att belysa vilka strategier som fungerar för att hantera biofilm och kanske utveckla biofilmen till en extra mikrobiell barriär mot smittspridning.
Källa: Microbial monitoring of drinking water systems, Mikael Danielsson, 2022. ISBN 978-91-7422-895-3 (pdf)
Hela avhandlingen går att beställa från: Division of Applied Microbiology Faculty of Engineering Department of Chemistry. Lund University
