Ett bildande av assimilerbart organiskt kol (AOC) genom desinfektion av dricksvatten – kan metoder för karakterisering av NOM förutsäga AOC-halt?
Av: Thor Wahlberg
Desinfektion är ett viktigt steg i slutet av beredning av råvatten till dricksvatten. Syftet är en minskning av opportunistiska patogener i dricksvattnet. Mikrobiologisk tillväxt kan ske i distributionsnät för dricksvatten vilket är en risk för konsumenterna. Förekomsten av AOC i dricksvattnet är en faktor som påverkar mikrobiologisk tillväxt.
AOC är den fraktion av TOC (totalt organiskt kol) som lätt kan tas upp av heterotrofa mikrober för deras ökning och spridning. Därför kan nivåer av AOC användas som en viktig indikator för mikrobiologisk tillväxtpotential. Organiskt material i ytvatten beskrivs som NOM (Natural Organic Matter) och är en komplex blandning organiska ämnen som kommer från djur, växter, mikroorganismer etcetera som har brutits ned. En del kommer från omgivande mark eller bildas i vattenmassan genom mikrobiologisk aktivitet.
NOM som kommer till en sjö är oftast humusämnen medan det som bildas i sjön är löst organiskt material (DOM). I ytvatten med höga AOC-värden kan biofiltrering bereda råvattnet för att avskilja en del av AOC innehållet. Med desinfektionen kan egenskaperna hos NOM omvandlas. Forskning har visat att detta ger upphov till toxiska desinfektionsbiprodukter (DBP) som till exempel Trihalometan (THM) och halogenerade syror (HAA). En annan effekt är att AOC bildas som i sin tur stödjer mikrobiologisk tillväxt.
AOC är inte klassificerat som DBP. Författarna menar att definitionen av DBP, att nya ämnen bildas efter desinfektion, kan appliceras på AOC och att AOC kan ses som en DBP ur ett mikrobiellt perspektiv. AOC undersöks idag inte rutinmässigt på vattenverk vilket görs med andra DBP. Det saknas också lagstiftning om AOC som parameter vid rutinundersökningar. Det är därför önskvärt att närmare förstå den omvandling, kemiskt och strukturellt, som NOM genomgår vid desinfektion. Den mikrobiologiska stabiliteten hos dricksvattnet beror på vilken typ av desinfektion som används.
För närvarande är klor den vanligaste desinfektionsmetoden pga. dess relativa låga kostnad och effektivitet. Men ett ökande bekymmer med klordosering är de cancerogena och mutagena effekterna av DBP kopplade till klordosering. Alternativa desinfektionsmetoder är till exempel UVC-bestrålning, vilken förstör mikroorganismernas DNA (UV-strålningens våglängder är kortare än de för synligt ljus och UVC har kortast våglängd, mellan 100–280 nm).
En annan desinfektionsmetod är fotokatalys med TiO2 (titandioxid). Titandioxid i kombination med UV-strålning skapar en fotokatalytisk reaktion i vatten som bryter ner mikroorganismer med hjälp av de fria radikaler som bildas. Forskningsarbetet som beskrivs i artikeln har gjorts för att redovisa skillnader i bildning av AOC beroende på desinfektionsmetod och om det finns någon analysmetod som kan ge en indikation om vattens innehåll av AOC.
En av de mest vanliga bakteriestammarna i dricksvattennätet är Pseudomonas aeruginosa (jordbakterie). Den har använts, i denna studie, för att visa på verkan av AOC bildningen från NOM vid desinfektionen med tre olika desinfektionsmetoder. Flera olika tekniker som UV-VIS spektra, fluorescens (EEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) och Fourier-transform ion cyclotron resonance (FT-ICR-MS) användes för att försöka se förändringar i NOM struktur och kemi kopplat till bildning av AOC. I försöken användes två olika koncentrerade NOM material, från IHSS http://humic-substances.org/ tillsammans med kranvatten i Hongkong.
Material och Metodik
För metodbeskrivning och vilka material som använts så hänvisas till artikeln. Det är en s.k. open access till artikeln, se länk under Källa, nedan.
Resultat och diskussioner
De två vattnen med tillsatt NOM, vilka desinficerats med tre olika metoder ympades med P. aeruginosa* för att undersöka den biologiska stabiliteten. Ingen skillnad bakterietillväxt, mellan de två olika typerna av NOM, kunde observeras med samma desinfektionsmetod. Klorering resulterade i den högsta tillväxten, oberoende av typ av NOM och reaktionstid. Desinfektion med TiO2-UVA resulterade i betydligt mindre tillväxt. För UVC och kontrollprover ingen tillväxt alls. För att kvantifiera den biologiska stabiliteten av NOM utifrån de tre desinfektionsmetoderna beräknades AOC genom att räkna antalet livsdugliga, isolerade bakterier från försöken. AOC (µg/l) värden för vatten desinficerade med klor redovisade värden på 350 – 500 µg/l. Motsvarande för UVC <10 µg/l och för TiO2-UVA 10 – 20 µg/l som AOC. Bildning av AOC från högst till lägst är således klorering> TiO2-UVA> UVC = kontrollprov (ej desinficerat).
För att undersöka den omvandling som sker av NOM i samband med desinfektion och kopplingen till resultat med olika analystekniker, UV-VIS, EEM, FITR och FT-ICR-MS, gjordes analyser med dessa tekniker på prover från desinfektionsförsöken. Endast en reaktionstid per desinfektionsmetod användes. Urvalet gjordes för prover med liknande minskning för UV254nm. Molekylvikt (MW) har tidigare rapporterats som en viktig parameter för biotillgänglighet och tillväxt. Låg molekylvikt skulle innebära god tillgänglighet för mikrober. Oxidation med TiO2-UVA innebär bildande av fri OH-radikaler med mycket hög oxidationseffekt. De omvandlar NOM med hög MW till NOM med låg MW. I denna underökning var AOC halterna lägre med TiO2-UVA än med klorering. Det verkar inte vara enbart MW utan även strukturella och kemiska karakteristika hos NOM som spelar in. Därför är inte MW enbart ett bra surrogat för AOC potential.
Slutsatser
Bänkskaleförsök visade att potential för att bilda AOC följer från högt till lågt: Klorering> TiO2-UVA> UVC oavsett typ av NOM som använts i denna studie. Eftersom AOC tidigare är korrelerat till ökande antal bakterier i distributionsnät så får resultaten till följd att val av desinfektion påverkar detta.
MW (molekylvikt) och fluorescens fingeravtryck ger inte tillräcklig information om potential för att bilda AOC. Däremot kan FTIR och FT-ICR-MS användas i detta syfte.
Resultat från FTIR och FT-ICR-MS analyser visade signifikant ökning i bildning av AOC för vatten där NOM desinficerats med klor. Oxidation och utbyte av klor i aromatiska molekyler gjorde att Pseudomonas kunde metabolitera dessa genom enzymatisk katalys.
Egna reflexioner
Biostabilitet är en viktig egenskap för vattenverken att ha kontroll över så att konsumenterna får ett gott och hälsosamt vatten i kranen. Att som författarna till nedanstående artikel lägga till AOC som en DBP kan få till följd att den analyseras kontinuerligt (jämför med THM) i distributionen av dricksvatten. Frågan som inte besvaras här är om AOC är den parameter som bäst eller enbart visar på biostabilitet. En första genomgång av hittills gjorda AOC analyser i Sverige kopplade till desinfektionsmetod vore ett steg att ta för VA-branschen. *) Normalt används, vid AOC-bestämning, renkulturer av Pseudomonas fluorescens P17 eller Spirillum NOX vilka i låg halt sätts till ett prov.
Källa: Guocheng Huang, Tsz-Wai Ng, Huan Chen, Alex T. Chow, Shengwei Liu and Po Keung Wong. Formation of assimilable organic carbon (AOC) during drinking water disinfection: A microbiological prospect of disinfection byproducts. Environment International 135 (2020)
