Online-mätning av totalantalet bakterier för övervakning

Resultat från online-mätning av totalantalet bakterier för övervakning av den mikrobiologiska kvalitén i ett vattenverks olika beredningssteg

Av: Thor Wahlberg

Den ökade medvetenheten hos konsumenter om risken för kontaminering av dricksvattnet gör att utvecklingen av automatiska mätmetoder intensifieras. UF(ultrafilter) och RO (omvänd osmos) betraktas som säkra mikrobiologiska barriärer och installation av dessa är ett sätt att bibehålla och öka förtroendet hos dricksvattenkonsumenter. Men frågan är hur deras integritet och livslängd kan övervakas. I artikeln som här redogörs för visar författarna hur online mätning med flödescytometri tillämpats på de olika beredningsstegen i ett vattenverk, med ett UF-steg följt av ett RO-steg, och vilka resultat som erhållits. Deras slutsats är att metoden lämpar sig väl för övervakning av förändringar i vattenkvalitén och att den visar hur driften av UF ger olika utfall i flödescytometrimätningarna.

Analysmetod för cellanalys eller flödescytometri(FCM) mäter totala antalet bakterier i ett vattenprov. Metoden bygger på infärgning av DNA i celler och belysning med laser för kvantifiering. Metoden är snabb och ett ”fingeravtryck” skapas av vattenprovet, då bakteriesammansättning varierar beroende på olika mängd nukleinsyra. Ett alternativ till flödescytometri-mätningarna är ATP (Adeno Triphosphate) mätningar. Alla celler omsätter detta ämne. Författarna menar att FCM är överlägset ATP som analysmetod,

I den studerande beredningen i ett industrivattenverk vilken består av intagssilar, följt av UF och efterföljande RO gjordes FCM-mätningar efter respektive beredningssteg. Cellkoncentrationer varierade mellan 5 × 10⁶ och 1,7 × 10⁸ celler/ml i råvattnet, efter intagssilarna. Baslinjen för antal celler i råvattnet var 5 × 10⁶ celler/ml. Högre värden berodde på tillfällen med båttrafik. Turbiditeten visade inte utslag vid förhöjda cellkoncentrationer förutom vid ett tillfälle.

Förutom cellkoncentrationer beräknades det s.k. Hill number som är ett mått på diversiteten i provet. Diversiteten styrs av på bakteriers taxonomi, fylogenetik (släktskap mellan grupper av organismer) och funktion.

De halter som uppmättes, under den dryga vecka som mätningarna pågick, var cellkoncentrationerna 3 × 10⁴ celler/ml (efter UF-rack nr två) och 2,5 × 10⁴ celler/ml (efter UF-rack nr tre). UF filtren har en nominell porstorlek på 100 nm. Antalet celler per ml efter bägge UF-racken är relativt höga. Den nominella porstorleken borde avskilja bakterier med diametern 200 till 300 nm. Membranytan har en porstorleksfördelning runt 100 nm vilket är en möjlig förklaring. En annan att bakterierna i sig en elastisitet och formbarhet som gör att några kan passera. Dessutom anges i artikeln förekomsten av ”ultra-small bacteria” i ytvatten, tidigare funna i grundvatten¹.  Vid periodisk rengöring av membranen, med hypoklorit, minskade cellkoncentrationen för rack två men ökade för rack tre. Detta skedde vi upprepade tillfällen. Den periodiska rengöringen med hypoklorit påverkar mängden celler efter UF, vilket inte en vanlig backspolning utan kemikalier gör. En skillnad mellan UF-racken är membranens ålder, rack 2 var 1 år vid cytometrimätningarna och rack 3 var 3 år.

Slutsatser

En slutsats för övervakning av råvattenkvalitén är att turbiditet och konduktivitet har en låg korrelation mot uppmätta cellkoncentrationer. Däremot är TOC och DOC (löst organiskt material) värden ett viktigt komplement för att bedöma fouling potential och organisk belastning. En parameter som beräknades utifrån flödescytometrimätningarna var diversiteten av bakterier (Hill number). Resultaten visade på förändringar i sammansättning av skilda bakteriestammar när antal celler ökade. Bakterier med högt innehåll av nukleinsyra (HNA) och bakterier med lågt innehåll (LNA) jämfördes i undersökningarna. Bakterier med LNA dominerade i analyser på permeat från UF. Detta stödjer antagandet om dominans av ”ultra-small bacteria”. Rengöring med hypoklorit hade olika effekt beroende på membranens ålder. För rack 2, med ett års drift, minskade cellkoncentrationerna i permeatet i samband med klorering. Detta tolkar artikelförfattarna som att blekningen av en del av tillsatt flourescens (SG) vilket gör bakterier ej detekterbara av lasern. I det rack med UF som varit i bruk i tre år ökar istället cellkoncentrationen. Skillnaden i ålder gör att dessa UF är smutsigare trots intermittent rengöring. Hypokloriten reagerar med den större mängden organiskt material och inte med infärgning av bakterier som för UF rack 2. Därav den högre cellkoncentrationen i UF-permeat från rack 3.

I permeatet från RO-steget, vilket beskickades med permeat från UF-steget, fluktuerade antal celler per ml mellan 5 × 10³ och 10⁴ celler/ml. Det är osannolikt att bakterier kan passera genom porstorlekar runt 1 nm om inte membran inte är intakta. En hypotes är efterväxt på permeatsidan av RO. DOC koncentrationen var låg 0,47 +/- 0,23 mg DOC/l. Det visar dock inte om DOC passerat membranen eller är ett resultat av urlakning av plastmaterial i dessa rack. Enligt författarna har det  litteraturen inte redogjorts för biofilm i några installationer av RO i vattenverk.

För alla beredningsstegen i vattenverket ifråga visade flödescytometrimätningarna att bakterier var närvarande i högre koncentrationer än de förväntade. Förväntningar är inte på ett sterilt vatten men resultaten understryker behovet av kontinuerlig integritetsmätning. Särskilt var resultaten efter RO med cellkoncentrationer på 5 × 10³ celler/ml förvånande. Flödescytometri kan här var ett verktyg för att kontrollera och styra beredningen. Dessutom övervaka råvattenkvalitén och öka förståelsen av bakteriell återväxt på ledningsnätet.

Resultaten som presenteras visar på behovet av kontinuerlig övervakning av bakteriekoncentrationer i drift av membrananläggning. Genom FCM-mätning av cellkoncentrationer och diversitet kan ett ”fingeravtryck” skapas för råvatten utifrån vilket larmnivåer kan sättas. Med någon timmes framförhållning kan då ett intag stängas tillfälligt. Större vattenverk använder HPC metoder online med relativt snabba svar för detta idag. Med flödescytometri kan fler ytvattenverk hantera variationer i den mikrobiologiska råvattenkvalitén.

Källa: Benjamin Buysshaert, Lotte Vermijs, Agathi Naka, Nico Boon and Bart De Gusseme. Online flow cytometric monitoring of microbial water quality in a full-scale water treatment plant. Npj Clean Water (2018) 1:16 (open article)

Läs hela artikeln i Npj Clean Water gratis här. 

¹) Diverse uncultivated ultra-small bacterial cells in groundwater. Birgit Luef, Kyle R. Frischkorn, Kelly C. Wrighton, Hoi-Ying N. Holman, Giovanni Birarda, Brian C. Thomas, Andrea Singh, Kenneth H. Williams, Cristina E. Siegerist, Susannah G. Tringe, Kenneth H. Downing, Luis R. Comolli & Jillian F. Banfield. Nature Communications, Volume 6, Article number 6372 (2015)