Biofilm ako faktor kvality pitnej vody

Ing. Zuzana Bratská, Regionálny úrad verejného zdravotníctva so sídlom v Košiciach

RNDr. Nadežda Števulová, PhD, Stavebná fakulta-Technická univerzita v Košiciach

Spolupráca bude spočívať najmä v posudzovaní laboratórnych nálezov vo vzorkách pitnej vodyz hľadiska hygienických aspektov.

Projekt je rozpracovaný na roky 2008-2010.Na jeho riešení sa budú podieľať odborníci z Ústavu budov a prostredia, ktorí sú pedagogickými pracovníkmi Katedry materiálového a environmentálneho inžinierstva a Katedry teórie a techniky prostredia budov.

Na úvod je treba konštatovať,že pôsobenie mikroorganizmov žijúcich voľne v planktonickej forme, alebo zachytených na povrchoch sa všeobecne považuje za málo preskúmané(Hoppe, 1984, Left, 1994). Medzi najmenej preskúmané patria spoločenstvá mikroorganizmov na tuhých povrchoch vo forme súvislých povlakov označovaných ako biofilm. Definujeme ho ako mikrobiálne spoločenstvo imobilných buniek uchytených na tuhom povrchu, často vo vodnom prostredí. Sú známe aj spoločenstvá mikroorganizmov žijúce vo fázovom rozhraní, tuhá látka- plyn, kvapalina- plyn, kvapalina - kvapalina(Augustín, Mogoňová, 1999).

Väčšina poznatkov o biofilmoch bola získaná najmä použitím modelových systémov.

Činnosť mikroorganizmov zohráva významnú úlohu aj v spektre degradačných procesov ako sú napr. korózia kovov, biodegradácia betónu. Dôsledkom vytvárania biofilmu je aj upchávanie potrubí a filtrov, alebo znižovanie účinnosti výmenníkov tepla (Characklis, 1990).

Nežiadúce zmeny vlastností materiálov spôsobené vplyvom mikroorganizmov sú v odbornej literatúre označované ako mikrobiálna korózia ( Heitz al., 1996). Genéza biodegradácie ma tri etapy: infekcia- vytvorenie stáleho kontaktu medzi mikroorganizmom a materiálom: inkubácia - fáza od infekcie až po dobu, kedy sú symptómy biodegradácie zjavné, alebo už aj začínajú predstavovať technicky významné poškodenie materiálu: manifestácia - symptómy biodegradácie sú jasne zjavné a znamenajú technicky významné poškodenie materiálu( Wasserbauer, 2000).

Zdrojom výskytu mikroorganizmov v danom prostredí je najčastejšie pôda, voda alebo aj samotné materiály. Typickým príkladom je biokorózia potrubí v kanalizačných sieťach. Podľa analýz uskutočnených v SRN (Kaempfer, 1999), kde je kanalizačná sieť tvorená z cca 46% betónom je cca 40% škôd na dlhých a zle vetraných úsekoch kanalizačných sietí, pripisovaných práve korozívnemu účinku vplyvom mikroorganizmov. Podobne aj na Slovensku patrí zatiaľ betón k najčastejšie používaným materiálom kanalizačných potrubí a ich kvalita a životnosť do značnej miery súvisí práve s biokoróziou.

Biokoróziu betónových potrubí spôsobujú najmä tzv. sírne baktérie rodov Acidithibaccillus, Leptospirillum, a síran redukujúce baktérie z rodov Desulfovibrio, Desulfotomculum, ktoré sú súčasťou biologického kolobehu síry aj jej zlúčenín. Tieto baktérie sa v uvedenom cykle zúčastňujú disimilačnej časti a bakteriálne spoločenstvo sa nazýva sulfuretum. Sírne baktérie oxidujú sulfán vyprodukovaný síran redukujúcimi baktériami na kyselinu sírovú. V dôsledku toho potom prebehne síranová korózia cementového kameňa, postupne však môže dôjsť k rozpínaniu betónu, vzniku trhlín a prasklín, strate pevnosti a k celkovému rozpadu betónu (Luptáková a kol, 2002).

Biokoróziu betónu spôsobujú aj nitrifikačné baktérie rodov Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter. Ďalším typom baktérií podieľajúcich sa na biokorózii betónov sú heterotrofné baktérie produkujúce organické kyseliny, ktoré pôsobia na betón alebo jeho zložky ako lúhovacie činidlá (Gaylarde et al., 2003). Prevencia biodegradácie stavebných materiálov je v súčasnej technickej praxi založená na ochrane ich povrchu rezistentnými materiálmi, ako sú epoxidové alebo polyesterové živice. Vedľa týchto štandardných mechanických riešení problémov biokorózie existujú aj riešenia chemické a biochemické, ktoré sú v súčasnosti predmetom štúdia a vývoja.

Spracovávanie informácií o uvedenej problematike z dostupných literárnych zdrojov z odbornej domácej a zahraničnej literatúry je uskutočňované štúdiom a odborných konzultáciami, získané informácie budú aktualizované v priebehu celého riešenia projektu.

Izolácia, kultivácia a identifikácia mikroorganizmov, vyskytujúcich sa v reálnych podmienkach vodovodných a kanalizačných sietí. Zhodnotenie druhového zastúpenie jednotlivých mikroorganizmov ako aj majoritných a minoritných druhov mikroorganizmov na vybraných materiáloch v závislosti od podmienok prostredia.

Postup prác v rámci plnenia projektu:

Pre dosiahnutie cieľov projektu budú využité všetky dostupné klasické a moderné metódy, vhodné pre štúdium tvorby biofilmu, kvality a kvantity mikrobiálnej kontaminácie použitých materiálov a pitnej vody a diagnostiky biodeteriorácie.

V experimentálnych prácach budú preto použité tieto nasledujúce postupy:

Ø Izolácie, identifikácie, kultivácie a hodnotenia jednotlivých druhov mikrobiálnych kultúr(napr. príprava kvapalných a tuhých živných médií, platňová metóda izolácie, metóda desiatkového riedenia, farbenie baktérií podľa Grama, farbenie spór, príprava natívnych alebo fixovaných preparátov mikroorganizmov, optická a elektrónová mikroskopia, Becton - Dickinson mikrobiologický identifikačný systém pre druhovú identifikáciu bakteriálnych kultúr, anaeróbna a aeróbna kultivácie a pod.).

Ø Fyzikálnych metód merania pH, oxidačno - redukčného potenciálu, difúzie vodnej pary, stanovenia, úbytku hmotnosti, pevnosti a pórovitosti betónových materiálov, zmeny štruktúry a kvality povrchu a pod.

Zvolená metodológia je progresívna v tom, že okrem laboratórnych experimentov bude prebiehať štúdium vzniku a tvorby biofilmu aj v reálnych podmienkach v systémoch vodovodných a kanalizačných sietí.

Výsledky z jednotlivých etáp projektu budú priebežne zapracované v rámci aktualizácie do súvisiacich predmetov výučby ( Technické zariadenia budov, Stavebné hmoty, Vodárenstvo a stokovanie, Environmentálne inžinierstvo stavieb, stavby s environmentálnym určením a Tvorba budov a prostredia). Získané poznatky z riešenia projektu budú prezentované aj študentom končiacich ročníkov v rámci diplomových seminárov za účelom obohatenia si poznatkov.

Výsledky projektu budú popularizované aj medzi prevádzkovateľov vodovodných a kanalizačných sietí a zainteresovaných pracovníkov v oblasti tepelného hospodárstva a vodární a kanalizácií vo forme letákov a brožúr, resp. metodickej príručky.

Výstupom projektu bude zhodnotenie reálneho stavu existencie biofilmu na vnútorných povrchoch potrubí a s tým súvisiaceho výskytu mikroorganizmov v pitnej vode a zistenie výskytu jednotlivých druhov mikroorganizmov v biofilme, získanie originálnych poznatkov o mechanizme a podmienkach vzniku biofilmu v závislosti od typu použitého materiálu ako aj degradačných účinkov mikroorganizmov.

Bude vypracovaný návrh opatrení na minimalizáciu resp. reguláciu tvorby biofilmu v kanalizačných potrubiach a návrh najvhodnejšieho materiálu pre vodovodné potrubia z hľadiska obmedzenia výskytu mikroorganizmov v pitnej vode.

Augustín, J., Mogoňová, E.: Vplyv vodných nádrží na mikrobiologickú čistotu vodného toku. Zborník prednášok: nové poznatky v mikrobiológii vody VII, čs. spol. mikrobiol., Poprad, 19.9.1999, 76-82.

Dierks, M., SAND, W., BOCK, E.: Microbial corrosion of concrete. Experienta 47, 1991, 514- 516.

HEITZ, E., Fleming H. C., Sand W.,: Microbially Influenced Corrosion of Materials, Springer - Verlag, Berlin Heilderberg 1996.

Gaylarde C., Dinas Silva M., Warschedt Th.: Microbial Impact on building materiale: an overview, Materials & Structures, 36, 2003, p. 342-352.

Hoppe, H. G: Attachment of bacteria : advantage or disadvantage for survival in the aquatic environment. In Marshall K.C: (Ed.): Mibial adhesion and aggretion. Springer, Berlin 1984, p. 283-301.

Characklis, W.G., Marshall K. C.: 1990, Biofilms: a basis for an interdisciplinary approach. In: Biofilms (Characklis W. G. and Marshall K. C., Eds), Wiley - Interscience, New York, 1990, pp 3-16

KAEMPFER, W. M. Berndt: Estimation of service life of concrete pipes in sewer networks, Durability of Building Materials and Components 8, Ottawa, 1999.

Lawrence, J. R ., Swerhone, G.D.W., Neu, T. R. : A simple rotating annular reactor for replicated biofilm studies. J. Microbiol. Methods 42, 2000, 215-224.

Le Chevallier, M. W., Babcock, T.M., Lee R. G. : Examinationa and characterrization of distribution system biofilms. Appl. Environ. Micriobiol. 53, 1987, 2714-2724.

Left, L.: Stream bacterial ecology : a neglected field? ASM News 60, 1994. 135-138.

Little, B., Wagner, P., Mansfield, F.: Microbiologically influenced corrsion of metals and alloys. Int. Mater. Revs. 36, 1991b, 253- 272.

Luptákova, A. (2006): Biokoóia tavebných materiálov. In: Acta Montanistica Slovaca. Roc. 11, mimoriadne číslo 2. ISSN 1335-1788.s. 339-344.

YU- Sen E. Lin et al.: Individuall and combined effects of cooper and iron ionson inactivation of Legionella Pergamon, No. 8, 1996.

Vranayová, Z., Bratská, Z., Tkáčová, E.. Measures for prevention of Legionella Growth for Installations Inside Building Conveying Water for Human Consumption. In: Proc. of 10th Scientific conference Rzeszow- Lwiw- Košice State of Atr, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering, Košice, vol. 1, 2005, p. 82. ISBN: 80-8073-325-2.

Wasserbauer R.: Biologické znehodnocení staveb, ABF- ARCH, 2000

Autori:

Ing. Zuzana Bratská, Regionálny úrad verejného zdravotníctva so sídlom v Košiciach

RNDr. Nadežda Števulová, PhD, Stavebná fakulta-Technická univerzita v Košiciach

Spolupráca bude spočívať najmä v posudzovaní laboratórnych nálezov vo vzorkách pitnej vodyz hľadiska hygienických aspektov.

Projekt je rozpracovaný na roky 2008-2010.Na jeho riešení sa budú podieľať odborníci z Ústavu budov a prostredia, ktorí sú pedagogickými pracovníkmi Katedry materiálového a environmentálneho inžinierstva a Katedry teórie a techniky prostredia budov.

Na úvod je treba konštatovať,že pôsobenie mikroorganizmov žijúcich voľne v planktonickej forme, alebo zachytených na povrchoch sa všeobecne považuje za málo preskúmané(Hoppe, 1984, Left, 1994). Medzi najmenej preskúmané patria spoločenstvá mikroorganizmov na tuhých povrchoch vo forme súvislých povlakov označovaných ako biofilm. Definujeme ho ako mikrobiálne spoločenstvo imobilných buniek uchytených na tuhom povrchu, často vo vodnom prostredí. Sú známe aj spoločenstvá mikroorganizmov žijúce vo fázovom rozhraní, tuhá látka- plyn, kvapalina- plyn, kvapalina - kvapalina(Augustín, Mogoňová, 1999).

Väčšina poznatkov o biofilmoch bola získaná najmä použitím modelových systémov.

Činnosť mikroorganizmov zohráva významnú úlohu aj v spektre degradačných procesov ako sú napr. korózia kovov, biodegradácia betónu. Dôsledkom vytvárania biofilmu je aj upchávanie potrubí a filtrov, alebo znižovanie účinnosti výmenníkov tepla (Characklis, 1990).

Nežiadúce zmeny vlastností materiálov spôsobené vplyvom mikroorganizmov sú v odbornej literatúre označované ako mikrobiálna korózia ( Heitz al., 1996). Genéza biodegradácie ma tri etapy: infekcia- vytvorenie stáleho kontaktu medzi mikroorganizmom a materiálom: inkubácia - fáza od infekcie až po dobu, kedy sú symptómy biodegradácie zjavné, alebo už aj začínajú predstavovať technicky významné poškodenie materiálu: manifestácia - symptómy biodegradácie sú jasne zjavné a znamenajú technicky významné poškodenie materiálu( Wasserbauer, 2000).

Zdrojom výskytu mikroorganizmov v danom prostredí je najčastejšie pôda, voda alebo aj samotné materiály. Typickým príkladom je biokorózia potrubí v kanalizačných sieťach. Podľa analýz uskutočnených v SRN (Kaempfer, 1999), kde je kanalizačná sieť tvorená z cca 46% betónom je cca 40% škôd na dlhých a zle vetraných úsekoch kanalizačných sietí, pripisovaných práve korozívnemu účinku vplyvom mikroorganizmov. Podobne aj na Slovensku patrí zatiaľ betón k najčastejšie používaným materiálom kanalizačných potrubí a ich kvalita a životnosť do značnej miery súvisí práve s biokoróziou.

Biokoróziu betónových potrubí spôsobujú najmä tzv. sírne baktérie rodov Acidithibaccillus, Leptospirillum, a síran redukujúce baktérie z rodov Desulfovibrio, Desulfotomculum, ktoré sú súčasťou biologického kolobehu síry aj jej zlúčenín. Tieto baktérie sa v uvedenom cykle zúčastňujú disimilačnej časti a bakteriálne spoločenstvo sa nazýva sulfuretum. Sírne baktérie oxidujú sulfán vyprodukovaný síran redukujúcimi baktériami na kyselinu sírovú. V dôsledku toho potom prebehne síranová korózia cementového kameňa, postupne však môže dôjsť k rozpínaniu betónu, vzniku trhlín a prasklín, strate pevnosti a k celkovému rozpadu betónu (Luptáková a kol, 2002).

Biokoróziu betónu spôsobujú aj nitrifikačné baktérie rodov Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter. Ďalším typom baktérií podieľajúcich sa na biokorózii betónov sú heterotrofné baktérie produkujúce organické kyseliny, ktoré pôsobia na betón alebo jeho zložky ako lúhovacie činidlá (Gaylarde et al., 2003). Prevencia biodegradácie stavebných materiálov je v súčasnej technickej praxi založená na ochrane ich povrchu rezistentnými materiálmi, ako sú epoxidové alebo polyesterové živice. Vedľa týchto štandardných mechanických riešení problémov biokorózie existujú aj riešenia chemické a biochemické, ktoré sú v súčasnosti predmetom štúdia a vývoja.

Spracovávanie informácií o uvedenej problematike z dostupných literárnych zdrojov z odbornej domácej a zahraničnej literatúry je uskutočňované štúdiom a odborných konzultáciami, získané informácie budú aktualizované v priebehu celého riešenia projektu.

Izolácia, kultivácia a identifikácia mikroorganizmov, vyskytujúcich sa v reálnych podmienkach vodovodných a kanalizačných sietí. Zhodnotenie druhového zastúpenie jednotlivých mikroorganizmov ako aj majoritných a minoritných druhov mikroorganizmov na vybraných materiáloch v závislosti od podmienok prostredia.

Postup prác v rámci plnenia projektu:

Pre dosiahnutie cieľov projektu budú využité všetky dostupné klasické a moderné metódy, vhodné pre štúdium tvorby biofilmu, kvality a kvantity mikrobiálnej kontaminácie použitých materiálov a pitnej vody a diagnostiky biodeteriorácie.

V experimentálnych prácach budú preto použité tieto nasledujúce postupy:

Ø Izolácie, identifikácie, kultivácie a hodnotenia jednotlivých druhov mikrobiálnych kultúr(napr. príprava kvapalných a tuhých živných médií, platňová metóda izolácie, metóda desiatkového riedenia, farbenie baktérií podľa Grama, farbenie spór, príprava natívnych alebo fixovaných preparátov mikroorganizmov, optická a elektrónová mikroskopia, Becton - Dickinson mikrobiologický identifikačný systém pre druhovú identifikáciu bakteriálnych kultúr, anaeróbna a aeróbna kultivácie a pod.).

Ø Fyzikálnych metód merania pH, oxidačno - redukčného potenciálu, difúzie vodnej pary, stanovenia, úbytku hmotnosti, pevnosti a pórovitosti betónových materiálov, zmeny štruktúry a kvality povrchu a pod.

Zvolená metodológia je progresívna v tom, že okrem laboratórnych experimentov bude prebiehať štúdium vzniku a tvorby biofilmu aj v reálnych podmienkach v systémoch vodovodných a kanalizačných sietí.

Výsledky z jednotlivých etáp projektu budú priebežne zapracované v rámci aktualizácie do súvisiacich predmetov výučby ( Technické zariadenia budov, Stavebné hmoty, Vodárenstvo a stokovanie, Environmentálne inžinierstvo stavieb, stavby s environmentálnym určením a Tvorba budov a prostredia). Získané poznatky z riešenia projektu budú prezentované aj študentom končiacich ročníkov v rámci diplomových seminárov za účelom obohatenia si poznatkov.

Výsledky projektu budú popularizované aj medzi prevádzkovateľov vodovodných a kanalizačných sietí a zainteresovaných pracovníkov v oblasti tepelného hospodárstva a vodární a kanalizácií vo forme letákov a brožúr, resp. metodickej príručky.

Výstupom projektu bude zhodnotenie reálneho stavu existencie biofilmu na vnútorných povrchoch potrubí a s tým súvisiaceho výskytu mikroorganizmov v pitnej vode a zistenie výskytu jednotlivých druhov mikroorganizmov v biofilme, získanie originálnych poznatkov o mechanizme a podmienkach vzniku biofilmu v závislosti od typu použitého materiálu ako aj degradačných účinkov mikroorganizmov.

Bude vypracovaný návrh opatrení na minimalizáciu resp. reguláciu tvorby biofilmu v kanalizačných potrubiach a návrh najvhodnejšieho materiálu pre vodovodné potrubia z hľadiska obmedzenia výskytu mikroorganizmov v pitnej vode.

Použitá literatúra:

Augustín, J., Mogoňová, E.: Vplyv vodných nádrží na mikrobiologickú čistotu vodného toku. Zborník prednášok: nové poznatky v mikrobiológii vody VII, čs. spol. mikrobiol., Poprad, 19.9.1999, 76-82.

Dierks, M., SAND, W., BOCK, E.: Microbial corrosion of concrete. Experienta 47, 1991, 514- 516.

HEITZ, E., Fleming H. C., Sand W.,: Microbially Influenced Corrosion of Materials, Springer - Verlag, Berlin Heilderberg 1996.

Gaylarde C., Dinas Silva M., Warschedt Th.: Microbial Impact on building materiale: an overview, Materials & Structures, 36, 2003, p. 342-352.

Hoppe, H. G: Attachment of bacteria : advantage or disadvantage for survival in the aquatic environment. In Marshall K.C: (Ed.): Mibial adhesion and aggretion. Springer, Berlin 1984, p. 283-301.

Characklis, W.G., Marshall K. C.: 1990, Biofilms: a basis for an interdisciplinary approach. In: Biofilms (Characklis W. G. and Marshall K. C., Eds), Wiley - Interscience, New York, 1990, pp 3-16

KAEMPFER, W. M. Berndt: Estimation of service life of concrete pipes in sewer networks, Durability of Building Materials and Components 8, Ottawa, 1999.

Lawrence, J. R ., Swerhone, G.D.W., Neu, T. R. : A simple rotating annular reactor for replicated biofilm studies. J. Microbiol. Methods 42, 2000, 215-224.

Le Chevallier, M. W., Babcock, T.M., Lee R. G. : Examinationa and characterrization of distribution system biofilms. Appl. Environ. Micriobiol. 53, 1987, 2714-2724.

Left, L.: Stream bacterial ecology : a neglected field? ASM News 60, 1994. 135-138.

Little, B., Wagner, P., Mansfield, F.: Microbiologically influenced corrsion of metals and alloys. Int. Mater. Revs. 36, 1991b, 253- 272.

Luptákova, A. (2006): Biokoóia tavebných materiálov. In: Acta Montanistica Slovaca. Roc. 11, mimoriadne číslo 2. ISSN 1335-1788.s. 339-344.

YU- Sen E. Lin et al.: Individuall and combined effects of cooper and iron ionson inactivation of Legionella Pergamon, No. 8, 1996.

Vranayová, Z., Bratská, Z., Tkáčová, E.. Measures for prevention of Legionella Growth for Installations Inside Building Conveying Water for Human Consumption. In: Proc. of 10th Scientific conference Rzeszow- Lwiw- Košice State of Atr, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering, Košice, vol. 1, 2005, p. 82. ISBN: 80-8073-325-2.

Wasserbauer R.: Biologické znehodnocení staveb, ABF- ARCH, 2000