Sandy Chan – Förhållandet mellan bakterier i vatten och på ytor i dricksvattenanläggningar

Den 26 oktober 2018 disputerade Sandy Chan på sin avhandling ” Processes governing the drinking water microbiome” vid Lunds universitet, avdelningen för teknisk mikrobiologi.

Avhandlingen innehåller fyra artiklar och en sammanfattning av artiklarnas innehåll, samt en diskussion om hur de moderna molekylärbiologiska metoderna som Sandy Chan tillämpat kan användas praktiskt i vattenverk och på ledningsnät för att följa vattenkvalitetsförändringar i tiden och längs ledningsnätet.

Avhandlingen redovisar undersökningar av hur tre olika långsamfilter på Ringsjöverket i Stehag mognar efter driftsättning. Två av filtren var vid mognadstillfället helt nybyggda medan det tredje var skummat och gick in i driftläge samtidigt som de nya filtren togs i bruk. Avhandlingen redovisar också mätningar på Varbergs dricksvattenledningsnät före och efter att Kvarnagårdens vattenverks nya ultrafiltersteg driftsattes 2016. Genom att VIVAB som äger Kvarnagårdens vattenverk driftsatt ultrafiltersteget kom allt dricksvatten som tillförs ledningsnätet i Varberg att bli nära nog fullständigt fritt från mikroorganismer. Den lilla mängd bakterier som trots allt gick att mäta i dricksvattnet hade sitt ursprung i biofilmsväxt och släpp av bakterier från biofilmen efter ultrafiltret. Mängden bakterieceller i dricksvattnet minskade från cirka 600 000 celler per milliliter före driftsättning till under 10 000 celler per milliliter efter driftsättning. Detta visar att för ett vattenverk utan extensiv borttagning av bakterier så är det vattenverket som styr den bakteriella sammansättningen i dricksvattnet.

I avhandlingen redovisas också metodutveckling kring hur mätdata från de molekylärbiologiska metoderna kan bearbetas och presenteras i en mera begriplig form. Detta arbetssätt kallas bioinformatik och är en helt egen disciplin inom informationstekniken. Varje DNA-molekyl kan innehålla några miljoner baspar och en milliliter vatten kanske innehåller 200 000 celler. Mängden information från bara en milliliter vatten är stor, så om det finns 10 miljoner invånare i Sverige och vi varje dag använder 150 liter vatten per person, blir det mycket kunskap att hålla reda på för bioinformatikern. Bra metoder och presentationer behövs då.

Sandy Chan har gjort ett pionjärarbete kring relationen mellan biofilmer och frilevande mikroorganismer i dricksvatten. Hon visar i avhandlingen att de frilevande bakterierna successivt koloniserar ytor på sandkorn i långsamfiltren och förändrar biofilmens sammansättning så att den blir bättre och bättre på att avskilja oönskade organismer, som E.coli. Genom att fånga upp och bryta ner organiskt material och kväveföreningar som utgör näringsämnen åt dessa mikroorganismer hjälper biofilmens bakterier till att skapa en miljö som inte är anpassad för oönskade mikroorganismer i vattnet och bidrar till att producera ett hygieniskt och mikrobiellt stabilt dricksvatten. Ett långsamfiltrat är som regel mikrobiellt stabilt.

Långsamfiltrens biofilm studerades utifrån reningseffektivitet, underhållsarbete (skumning) och dess förmåga att ändra bakteriesammansättningen i vattnet. Referensen på Ringsjöverket, det långsamfilter som hade varit i drift i över 20 år, hade en stabil biofilm som effektivt avskilde främmande bakterier. Med hjälp av flödescytometrimätningar kunde både bakterieantalet och deras innehåll av DNA mätas. Flödescytometri används för att undersöka hur bakteriesammansättningen ändrades i långsamfiltraten jämfört med inkommande snabbfiltrat från Ringsjöverket. Metoden visade tydligt att det väletablerade långsamfiltret inte påverkades av skumningen utan levererade ett mikrobiellt homogent filtrat snart sagt direkt efter skumning. De nyanlagda filtren skiljde sig åt, genom att ett filter till ungefär hälften hade tagit emot tvättad sand från sandtvätten på Ringsjöverket, det vill säga ympades med bakterier från etablerade långsamfilter, medan resten av sanden var ny och om från ett sandtag. Det andra filtret fylldes bara upp med ny sand från sandtaget.

Det nya långsamfilter som ympats med sand från äldre långsamfilter visade en snabbare mognad och utvecklade en biofilm som överensstämde med bakteriesammansättning hos det väletablerade filtret inom två månader. Det andra nya långsamfiltret utan ympningshjälp behövde över sex månader på sig för att mogna. Resultaten visar att långsamfilter har en fantastisk förmåga att ändra på vattnets bakteriesammansättning där mognadshet blir avgörande för filtrens förmåga att rena vattnet. Flödescytometri som mätmetod var användbar och gav tydlig information om hur bakteriesammansättningen förskjuts i långsamfiltren genom att de bakterier som detekterades i långsamfiltratet hade kortare DNA och verkade vara mindre i storlek jämfört med bakterierna i inkommande vatten, snabbfiltratet, till långsamfiltren. Prover av biofilmen från sandkornen i långsamfiltren tagna på olika djup sekvenserades och visade att ganska begränsad mängd av biofilmsbakterierna återfanns i långsamfiltratet. En stor del av biofilmens bakterier stannar i biofilmen medan en begränsad del lämnar biofilmen och hamnar i filtratet.

Men vid disputationen diskuterade opponenten, Dr. Frederik Hammes från EAWAG i Zürich, med Sandy Chan om möjligtvis resultaten skall tolkas som att snart sagt alla bakterier i inkommande vatten blir biologiskt substrat och metaboliseras av biofilmen i långsamfiltren. De bakterier som hittas i utgående vatten från långsamfiltren bestäms då av hur biofilmen ser ut och är knappast alls påverkade av bakteriesammansättningen i inkommande vatten. En indikation på detta är att vissa indikatororganismer, som till exempel koliforma bakterier, avskiljs i så mycket större omfattning (>95%) än andra bakterier. Hur vet biofilmen om att den bör selektera just de organismer som vi människor inte vill se i vårt dricksvatten? De kloka biofilmsbakterierna kanske inte väljer selektivt utan försöker avskilja alla bakterier som kommer in till biofilmsytan? Allt är mat för biofilmen. Ett långsamfilter ha typiskt en sandkornstorlek omkring 0,5 mm. Hålrummet mellan sandkornen är i storleksordningen 0,3 mm, eller 300 μm. En bakterie är omkring 0,5 μm stor, vilket betyder att avståndet från mitten av hålrummet ut till en hungrig biofilm bara är 300 bakterielängder. Kontakttiden i ett långsamfilter är omkring 6-9 timmar. En bakterie i vattenfas hinner komma i kontakt med biofilmen många tusen gånger på sin väg genom filtret.

Flödescyotmetri kombinerad med histogramanalys visade sig vara en mycket effektiv metod för att snabbt beskriva och följa förändringen av vattnets bakteriersammansättning genom de olika långsamfiltren. Dessutom har metoden potential att följa den bakteriologiska sammansättningen i ledningsnätet. I framtiden kan DNA-baserad flödescytometri öppna upp möjligheten att börja optimera och kontrollera vattenverkens biologiska system samt effektivt övervaka ledningsnätens mikrobiologiska status. En central slutsats från avhandlingen är att vi måste försöka förstå biofilmen i våra dricksvattensystem och hur biofilmen kan påverka mikroorganismerna som finns i vattnet.

Ett spektakulärt exempel på detta kunde redovisas från Varberg. Kvarnagårdens nya ultrafilteranläggningen avskilde i stort sett alla bakterierna i vattnet, vilket gjorde det möjligt att undersöka hur många bakterier som lämnar biofilmen i ledningsnätet. Ett vanligt dricksvatten innehåller några hundratusen bakterier per milliliter. Om tretusen bakterier per milliliter sedan lämnar biofilmen i ledningsnätet är det nästan ogörligt att hitta dessa i den stora mängden bakterier som kommer från vattenverket. Men om det som i Kvarnagårdens vattenverk inte kommer några bakterier alls från vattenverket är det möjligt med hjälp av flödescytometri att mäta hur mycket bakterier som faktiskt kommer från dricksvattenledningarna. I Varbergs fall ser det ut, för de första tre månader efter driftsättningen av ultrafiltersteget, som om det tillkommer något tusental bakterier per milliliter från biofilmen till dricksvattnet i ledningsnätet. Med hjälp av sekvensering är det möjligt att identifiera vilka slags bakterier som lämnar biofilmen, något Sandy Chan visar på i sin avhandling.

Länk till avhandlingen: Processes governing the drinking water microbiome