Kristjan Pullertis — Impact of Drinking Water Treatment and Pipe Biofilms on Bacterial Dynamics in the Distribution System

Vatten är livsviktigt för allt liv. Rent och säkert dricksvatten ska vara fritt från kemiska föroreningar och sjukdomsframkallande mikroorganismer, så kallade patogener, men det behöver inte betyda att det ska var fritt från alla mikroorganismer.

Mikroorganismer finns överallt och är väldigt allsidiga, de kan leva i allt från varma källor med temperaturer över 100 °C till väldigt sura miljöer i vår mage, vilket också betyder att det nästan är omöjligt att förhindra förekomst
och växt av mikroorganismer. Även om vissa mikroorganismer är sjukdomsframkallande är de flesta mikroorganismer ofarliga för människor och kan till och med vara hälsobefrämjande och användas för att rena vatten.

Vattenverk använder vanligen råvattentäkter som ytvatten eller grundvatten som renas med hjälp av olika sorters beredningsprocesser för att leverera dricksvatten via ledningsnät till kran. Sandfilter (långsamfilter), ultraviolett (UV)-ljus eller ultrafilter (UF) är några exempel på beredningssteg som används.

Mikroorganismer kan leva tillsammans på ytor i en så kallad biofilm, vilket återfinns på ytan av sandkornen i ett långsamfilter. Denna biofilm renar vattnet med hjälp av biologiska processer och bidrar till vattenreningen med hjälp av att ta bort och minska patogener, organiskt material eller kemikalier i vattnet. Med hjälp av UV bestrålas vatten där UV-ljus penetrerar celler och skadar arvsmassan
vilket leder till att oönskade mikroorganismer avdödas. I ett UF finns ytterst små porer (0.020 µm – ungefär 5000 gånger mindre än ett hårstrå) som separerar mikroorganismerna (storlek kring 1 µm) från vattnet. Slutligen pumpas det rena vattnet ut till konsumenter via milslånga ledningsrör, som är betäckta av en biofilm och påverkar den slutgiltiga dricksvattenkvalitén.

Framtida utmaningar inom dricksvattenbranschen innebär en ökad förorening av råvattentäkter. Detta på grund av en ökad brunifiering vilket beror på organiskt material som spolas ner från marken till sjöar och vattendrag. Det organiska materialet i sin tur göder mikroorganismer. Även klimatförändring påverkar råvattenkvalitén med skyfall och torka som kan öka risken för patogener och varmare temperatur som ökar tillväxten av mikroorganismer. För att vi även i framtiden ska kunna producera och leverera säkert dricksvatten krävs det en ökad förståelse och kunskap om hur olika reningsprocesser påverkar den mikrobiella floran (mikrobiotan), men även hur biofilmen i ledningsnätet påverkar dricksvattenkvalitén.

För att säkerställa att dricksvattenkvalitén och säkerheten är god tas dricksvattenprover på vattenverk och ledningsnätet. De mikrobiologiska
analysmetoder som används idag är ofta odlingsbaserade där t.ex. bakteriehalten xi undersöks med hjälp av odlingsmedier. Nackdelen med dessa metoder är att endast en bråkdel av alla bakterier i vattnet kan odlas, samtidigt som analysen tar dagar att genomföra innan man får resultat. I detta arbete har snabbare, känsligare och mer informativa metoder används för att undersöka hur UV-ljus, långsamfilter och biofilmen i ledningsnätet påverkar mikrobiotan och dricksvattenkvalitén. DNA-baserad flödescytometri användes för att snabbare analysera antalet bakterier och dess sammansättning. Denna teknik, tillsammans med flödescytometrisk mönsteranalys visade sig vara mycket användbar för att övervaka och följa förändringen av den bakteriella floran genom långsamfilter och vattnet i ledningsnätet. Med PCR (polymerase chain reaction) teknik tillsammans
med nästa generations sekvensering (NGS) kunde den genetiska informationen bestämmas för att påvisa identiteten och sammansättningen av bakterierna i vatten och biofilm.

UV aggregat i fullskala är svåra att övervaka med traditionell mikrobiologisk analys. I detta arbete undersöktes hur PCR-baserade metoder skulle kunna
användas för att övervaka UV-ljus på vattenverk. Efter provtagning på Görvälnverket i Stockholm (Norrvatten) visade jag att släktskap och
sammansättningen av arvsmassan påverkade om bakterier var resistenta eller känsliga för UV-ljus. Det visade sig också att sammansättningen av bakterierna förändrades dagar efter UV-bestrålningen, vilket indikerar att UV-ljus troligtvis påverkar bakteriernas återväxtpotential i ledningsnätet, dvs. vattnets biostabilitet.

Olika långsamfilter undersöktes i denna avhandling på Ringsjöverket i Stehag (Sydvatten). Välfungerande långsamfilter förändrade sammansättningen av den bakteriella floran och reducerade antalet koliforma bakterier och Escherichia coli som ofta förknippas med en högre risk för kontaminerat vatten.

Det ytliga lagret av biomassa på långsamfilter s.k. schmutzdecke har ofta antagits stå för den största delen av vattenreningen. I denna avhandling visades att underhållsarbete i form av borttagning av schmutzdecke inte påverkade reningsförmågan för ett välfungerande långsamfilter då det bibehöll samma förmåga att avskilja organiskt material, koliforma bakterier och E. coli som med schmutzdecke. Dessutom visade den flödescytometriska analysen att välfungerade långsamfilter behöll samma förmåga att förändra vattnets bakterieflora som med schmutzdecke.

Eftersom vattenledningsnät ofta ligger nergrävda är det svårt att undersöka vilka mikroorganismer som lever på ytan av rören i biofilm. Under detta arbete installerades en UF-anläggning på Kvarnagården i Varberg (VIVAB) som tog bort mer eller mindre alla bakterier i det utgående vattenverksvattnet. Detta gjorde det möjligt att undersöka vilka och hur många bakterier som lämnade biofilmen i ledningsnätet under distributionen. En ledningsrörstudie utfördes också där xii biofilmen i uppgrävda rörprover analyserades innan och efter UF start för att undersöka hur biofilmen påverkades av en stor förändring i reningsprocessen på vattenverket.

Jag kunde visa att sammansättningen av den bakteriella floran förändrades av UF emedan biofilmen bibehöll sin övergripande funktion att
omsätta kväveföreningar i vattnet. Majoriteten av bakterierna som påvisades i biofilmen var nitrifikationsbakterier men även bakterier som kan växa vid väldigt låga halter av näringsämnen. I vattenverket som undersöktes användes monokloramin för att förhindra återväxt av mikroorganismer i ledningsnätet.

Monokloramin är en ostabil förening som kan reagera med naturligt organiskt material och sönderfalla till att bilda ammoniak. Nitrifikationsbakterierna kan i sin tur använda ammoniak som energikälla och omvandla det till nitrit och nitrat. Jag påvisade att omvandlingen av kväveföreningar var densamma före och efter UF start, vilket indikerade att nitrifikationen endast utförs av distributionssystemets biofilmsbakterier.

Denna avhandling har bidragit till en ökad förståelse och kunskap kring mikrobiella analysmetoder men även hur olika reningsprocesser och biofilmen i
ledningsnätet påverkar dricksvattenkvalitén. Detta för att vi även i framtiden ska kunna säkra tillgången till rent och säkert dricksvatten i våra kranar.

Länk till avhandlingen: Impact of Drinking Water Treatment and Pipe Biofilms on Bacterial Dynamics in the Distribution System