Spårande av källor till fekala föroreningar

På mikrobiell väg har källan till fekal förorening från ett avrinningsområde i Norge spårats för att se om den kommer från människor eller har annan bakgrund.

Av: Jörgen Hanaeus

En ansats att på mikrobiologisk (microbial source tracking, MST) väg spåra källan till fekal förorening har genomförts i ett ruralt avrinningsområde i Norge där Grytlandsån avslutas med en våtmark före utsläpp i en större recipient.

Den traditionella fekala indikatorbakterien Escherichia coli har kombinerats med den värdspecifika Bacteroidales 16s rRNA genmarkör. Studien visade att profilen från Bacteroidales DNA kvantitativt kunde skilja på förorening från människa och från annan källa.

Utfallet från MST-resultaten har också jämförts med resultat från såväl fysikalisk-kemiska analyser som från analyser av läkemedelsrester och hygienprodukter (PPCP:s). Stark positiv korrelation erhölls mellan MST från människa och PPCP:s, där gabapentin var den mest frekvent detekterade produkten. Däremot korrelerade inte förekomsten av PPCP:s eller av MST från människa med koncentrationerna av E. Coli.

Bakgrund

Punktutsläpp av avloppsvatten till en recipient kan numera beskrivas väl kvalitativt och kvantitativt. Diffusa utsläpp i ett avrinningsområde är en svårare sak och förståelse av effekterna i en samlande behandlingsenhet för avloppsvatten innebär ännu utmaningar.

I Norge har mikrobiologisk källspårning (MST) nyligen implementerats, med särskilt fokus på fekal förorening av vattenmiljöer. Sammantaget med molekylär analys via realtids kvantitativ polymeras reaktion (RT-qPCR) som detekterar värdspecifika rRNA har ett vitalt verktyg utvecklats för att både detektera och kvantifiera källor till fekal förorening.

Historiskt har E.coli utvecklats till att vara den mest använda indikatorn på fekal förorening. Den har – i tillägg till problematiken med indikatorns representativitet i olika situationer – heller inte kunnat ge information om källan till den fekala föroreningen.

Därför har en annan grupp Gram-negativa bakterier från fylum Bacteroidetes och särskilt ordningen Bacteroidales föreslagits till MST-studier, där föroreningskällan söks. Dessa bakterier tillhör de mest frekventa i inälvor från människor och varmblodiga djur. Från genus Bacteroides kommer vanligen ca en tredjedel av det totala antalet fekala bakterier från människan och antal upp till 10¹¹/g fekalier har registrerats. De är mycket värdspecifika och växer i egenskap av strikta anaerober dåligt i omgivande natur.

De senaste årtiondena har ett antal värdspecifika DNA-markörer från Bacteroidales identifierats och framgångsrikt använts för att spåra källor till vattenförorening och även för att urskilja mänskligt ursprung till dessa. Norska erfarenheter av metoden saknas, vilket är bakgrunden till föreliggande studie.

Försök

Det område som studerats är avrinningsområdet till Grytelandsån i sydöstra Norge. Till denna kommer avlopp från såväl punktkällor som diffusa källor; området (4,5 km²) består till

2,7 km² av jordbruksmark, 1,4 km² av skogs och myrmark samt 0,4 km² av spridd bebyggelse. År 2000 byggdes en våtmark för att behandla åns vattenflöde.

Våtmarksanläggningen består av två huvudenheter; en sedimenteringsdamm om 50*10*2 m³ och två våtmarksdelar i serie; 100*8*0,5 m³ resp 75*8*0,5 m³, de senare med horisontell strömning och fri vattenyta. De är planterade med lokalt förekommande våtmarksvegetation, såsom kaveldun, igelknopp, svärdsliljor och mannagräs. Uppehållstiden var omkring 5 h.

Prov på in- och utgående vatten till anläggningen togs ungefär månadsvis mellan november 2014 och april 2015. Närsaltskomponenter analyserades, liksom pH och κ .

Läkemedelsrester och hygienprodukter med metaboliter samt hormonstörande ämnen analyserades vid sex tillfällen; totalt testades 46 ämnen.

Fekal förorening analyserades via E.coli och coliforma bakterier. Realtids-PCR användes för detektering och kvantifiering av värdspecifika Bacteroidales genetiska markörer, 16S rRNA .

Resultat

Från de fysikalisk-kemiska analyserna gavs genomsnittliga värden på Grytelandsån in till våtmarksanläggningen: 23 mg COD/L, 0,09 mg tot-P/L, 3,2 tot-N/L, konduktivitet 19 mS/m, pH 7,3. Utgående från anläggningen: 23 mg COD/L, tot-P 0,07 mg/L, tot-N 5,0 mg/L, konduktivitet 19 mS/m och pH 7,3. Inga större förändringar således.

Från värdspecifik DNA från Bacteroidales framgic att den fekala föroreningen från människor ökade och blev dominerande under den kalla årstiden och i relativt torra perioder, särskilt under vinter och vår. Den bilden gav varken analyserna av E.coli eller koliforma bakterier.

Anläggningen reducerade emellertid koncentrationerna av E.coli påtagligt; däremot inte gruppen koliforma bakterier till låga halter.

I den sökta bakgrunden till fekal förorening kunde tre Bacteroidales markörer särskilja människor, hästar och idisslare.

Rester av läkemedel och hygienprodukter (PPCP:s) detekterades. Sju ämnen och dess metaboliter analyserades som månadsvisa stickprov i inlopp och utlopp till våtmarksanläggningen. Halterna korrelerade inte med E.coli-halterna. Ett enstaka högt ibuprofen-värde noterades in, 2 500 ng/L, men i övrigt var gabapentin det mest frekventa ämnet. Inga större skillnad mellan inlopps- och utloppsvärden återfanns; utloppsvärdena var ibland högre än inloppsvärdena.

Korrelationskoefficienten mellan PPCP:s (grupp) och människorelaterade Bacteroidale var 0,72 i inkommande och 0,89 i utgående vatten. Särskilt för ämnet gabapentin var korrelationen stark; 0,983/0,953 in/ut.

Slutsatser

Våtmarksanläggningen avskiljde E.coli väl, men inte koliforma bakterier eller PPCP:s. Här kan den relativt korta uppehållstiden, ca 5 h, ha haft betydelse.  Koncentrationerna av PPCP:s korrelerade inte väl med de för E.coli.Dessa, senare, korrelerade inte heller med human Bacteroidale, vilket ju är anmärkningsvärt då E.coli-koncentrationer gärna tas som ett mått på risken för smitta från mänsklig avföring. Här finns analytiska utvecklingsmöjligheter.

Skuterudsområdet med Grytelandsån är för övrigt ett väl studerat område från naturvetenskapligt perspektiv med sin närhet till norska universitet.

Källa: 

Paruch, L., Paruch, A., Buseth Blankenberg, A-G., Haarstad, K . & Maehlum, T. (2017): Norwegian study on microbial source tracking for water quality control in constructed wetland treating catchment runoff. Water Science & Technology, Vol 76, No 5, pp 1155-1166.

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna från: 

Division of Environment and Natural Resources, NIBIO – Norwegian Institute of Bioeconomy Research,

Pb 115

Aas NO-1431

Norway

Kontakt:  adam.paruch@nibio.no