Lundaforskaren Kristjan Pullerits har undersökt vattenverket Kvarnagårdens vatten och Varbergs distributionssystem avseende bakteriekultur och hur den påverkas av olika behandlingsmetoder och förutsättningar.
Av: Kenneth M Persson
När historien om biofilmernas betydelse för dricksvattenkvalitet skall skrivas någon gång i en fjärran framtid, kommer kanske VIVAB:s Kvarnagårdens vattenverk i Varberg att ägnas ett eget kapitel. Det var åtminstone där som ett i princip bakteriefritt dricksvatten började distribueras under sommaren 2017 vilket möjliggjorde för forskningen att i detalj undersöka vilka bakterier i ledningsnätets biofilm som lämnar den och vilka som stannar kvar.
Bakgrund
Bakgrunden är, som nog många läsare känner till, att Kvarnagårdens vattenverk byggdes om 2016-2017 och därvid utrustades med ett ultrafiltersteg föregått av direktfällning med polyaluminiumklorid (PAC) för att flocka organiskt material. Dricksvattnet desinficeras också med ultraviolett ljus. Behandlingen ledde till att mängden mikroorganismer i dricksvattnet minskade från cirka 600 000 celler per milliliter till cirka 9000 celler per milliliter.
Utvecklingschefen Alexander Keucken på VIVAB insåg att det gick att göra intressanta mätningar i detta system och tog kontakt med Peter Rådström och Catherine Paul på teknisk mikrobiologi respektive teknisk vattenresurslära på LTH i Lund. De planerade arbetet, rekryterade doktoranden Kristjan Pullerits till projektet och lät gräva upp ett antal rör på strategiska platser i Varbergs distributionssystem innan det nya vattenverket driftsattes. På så sätt kunde ett antal intakta biofilmer från olika platser i ledningsnätet karaktäriseras med hjälp av moderna molekylärbiologiska metoder så att antalet bakterier, och de arter och familjer bakterierna tillhör, kunde bestämmas. Även bakteriesammansättningen i det fritt flödande dricksvattnet i ledningarna dokumenterades innan det nya vattenverket driftsattes.
Motsvarande uppföljande undersökningar gjordes sedan under 18 månaders tid efter driftsättningen så att effekterna på biofilmen med det nya, nästan sterila dricksvattnet gick att mäta.
Avhandlingen
Den 4 december 2020 disputerade Kristjan Pullerits på sin avhandling Impact of Drinking Water Treatment and Pipe Biofilms on Bacterial Dynamics in the Distribution System vilken går att ladda ned från länken nedan. Utöver Kvarnagårdens vattenverk och Varbergs distributionssystem, har han också undersökt vad UV-desinfektion betyder för olika bakterieslags överlevnad och återväxt efter behandling,. Vidare har han detaljstuderat mognadsprocessen i långsamfilters biofilmer och jämfört olika utvecklade filmers förmåga att avskilja indikatororganismer från vattnet. Men den största delen av arbetet har ägnats Varberg.
UV-desinfektionen undersöktes med PCR-teknik. DNA-molekylen är en lång dubbelspiral med kvävebaser som binder samman respektive spiral till en ”spiraltrappa”. ”Trappstegen” består av fyra slags kvävebaser, adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T) som alltid binder i par: AT respektive CG. Pullerits visade i sin UV-desinfektionsstudie att bakterier med förhållandevis större andel CG-par i sitt DNA klarade UV-desinfektionen bättre än bakterier med större andel AT. Han lagrade också UV-desinficerade och icke desinficerade dricksvattenprov för att se om det skedde någon återväxt av bakterier. Efter UV-behandling förändrades vattnets bakteriesammansättning efter lagring en vecka vid sju graders temperatur. Det obehandlade vattnet uppvisade ingen ändrad sammansättning, vilket Pullertis tolkar som att UV-ljuset påverkar vattnets biostabilitet. Långsamfiltersandens biofilm har olika stor förmåga att omsätta bakterier beroende på hur mogen den är. Genom att ympa ny sand med gammal sand där det fanns en etablerad välanpassad biofilm kunde reningseffekten i filtret snabbare nå en hög effekt.
Ultrafiltersteget med efterföljande UV-desinfektion tog bort merparten av bakterierna i dricksvattnet. Reningen ledde också till att mängden organiskt material i dricksvattnet minskade till under 1 mg/l TOC. För biofilmen i ledningsnätet betydde detta mindre konkurrens från tillkommande bakterier i inkommande dricksvatten. Men den lägre halten organiskt material betydde också att betydligt mindre substrat, bakteriemat, tillfördes ledningsnätets biofilm. Bakterierna där fick anpassa sig till en tuffare näringssituation. Merparten av de bakterier som kunde mätas i dricksvattnet efter att Kvarnagårdens vattenverks ombyggnad tagits i drift kom från släpp av ledningsnätets biofilms bakterier. En mindre del kom från den biofilm som växer på lågreservoarernas ytor.
Med hjälp av flödescytometri kan antalet celler räknas i ett prov. Med olika infärgningsreagens går det att förfina räknandet efter om de är intakta, dvs. hela, eller efter hur långa DNA-kedjor cellerna har. Stora celler har längre DNA-molekyler än små. De delas upp i långkedjiga HNA (high nucleic acid – DNA) och kortkedjiga LNA (low nucleic acid-DNA). Från Varbergs ledningsnät efter UF gick det att se att återväxten av HNA-bakterier verkade ha upphört. Antalet HNA-bakterier i dricksvattnet ökade i början av ledningsnätet troligtvis eftersom de lossnade från biofilmen. Längre ut i nätet avtog de. Antalet LNA-bakterier ökade däremot med avståndet från vattenverket, vilket kan bero på en viss återväxt. Vattnets temperatur påverkade biofilmens aktivitet och sommartid när ledningsvattnet kan bli upp mot 20 grader varmt ökade mängden celler i vattnet. Den metabola aktiviteten ökar med temperaturen så ökat antal celler kunde bero på högre aktivitet i biofilmen. Men det mera lättrörliga vattnet, med lägre viskositet vid högre temperatur, kan också rent fysikaliskt ha gjort att en större andel biofilmsbakterier dispergeras, spolas ut, i vattenledningen.
På Kvarnagårdens vattenverk sker kloramintillsats efter UV-ljuset som sekundär desinfektion. Kloramin sönderdelas mikrobiellt med tiden och en del ammoniumjoner frisätts i vattnet. Pullerits kunde visa det i biofilmen fanns nitrifikationsbakterier som Nitrosomonadaceae, Nitrospira och Hyphomicrobium och Sphingomonas vilka kan oxidera ammonium och därigenom utvinna energi till sin metabolism. I biofilmen gick det också att hitta, även efter skiftet till ultrafiltrering, potentiellt patogena legionellabakterier och Mycobacterium.
Slutsatser
I Pullerits gedigna arbete, totalt 100 sidor sammanfattning med fem artiklar som bilagor, går det att lära väldigt mycket om hur bakterier, biofilmer och vattenkvalitet samverkar i dricksvattenförsörjningen. Det står klart att flödescytometrimätningar är högintressanta att utföra för att snabbt följa vattenkvalitetsförändringar i dricksvattennätet. Det är även bestickande att se hur biofilmsdynamiken skiftar från HNA till LNA, från större till mindre celler, i vattnet, men att bakterierna knappast försvinner fastän näringstillförseln blir så mycket lägre och ympning av biofilmen från vattenverket i princip upphör när UF tar bort alla celler från råvattnet. Biofilmen vidmakthålls och klarar av att nyttiggör de näringsämnen som råkar förekomma i vattnet, må det bara vara några ammoniumjoner. Pullrits för ett kort resonemang om vad begreppet biologiskt stabila vatten kan betyda. Historiskt har det utgått från odling av heterotrofa bakterier på platta. Dessa representerar kanske 0,1% av bakteriepopulationen i ett prov. Ett biologiskt stabilt vatten beskrevs som ett vatten där ingen ökning av antalet heterotrofa bakterier gick att mäta.
Även i Varbergs ledningsnät pågår en mikrobiell aktivitetet som går att följa med helt andra metoder än odling på platta. Vattnet är inte och kan knappast kallas biologiskt stabilt. Så vad menar vi med detta begrepp och när skall vi använda det? Pullerits diskuterar om inte begreppet stabilt bör modifieras till stabil vattenkvalitet och icke-patogent.
Nästa steg i studierna av biofilmens mysterier måste väl bli att följa hur ett helt nytt vattenverk med ett helt nytt ledningsnät utvecklas. Vilken biofilm etableras då i ledningsnätet och på vilka villkor? Till dess ber jag att få lyckönska Kristjan Pullerits till ett viktigt bidrag i biofilmsforskning för dricksvatten och rekommendera läsaren av denna text att själv fördjupa sig i Pullerits avhandling. Det är mödan värt.
Källa: Kristjan Pullerits, teknisk mikrobiologi, Lunds universitet, 2020. Impact of Drinking Water Treatment and Pipe Biofilms on Bacterial Dynamics in the Distribution System
