Desinfiointiaineen ja putkimateriaalin vaikutus talousvesiverkostojen bakteeristoon pilot-tutkimus Eila Torvinen, Vesihuoltopäivät 23.5.2018 1
Tausta Desinfiointiaine ja putkimateriaali ovat tärkeitä talousveden laatuun vaikuttavia tekijöitä Molemmat voivat muokata mikrobistoa ja vaikuttaa talousveden turvallisuuteen, esim. Kloori: suosiiko legionellabakteereita? Klooriamiini: suosiiko ympäristömykobakteereita? Cu: biosidinen legionellalle? Muoviputket: vapauttavatko orgaanisia yhdisteitä? 2 Kuvat: Flemming ym. 2011,Pepper ym. 2015
Tausta Uusilla syväsekvensointimenetelmillä voidaan analysoida näytteen koko mikrobistoa sen sijaan, että analysoitaisiin vain yhtä mikrobiryhmää NGS = Next Generation Sequencing Mikrobiryhmät tunnistetaan näytteestä eristetyn DNA:n tai RNA:n emäsjärjestyksen perusteella DNA:n emäsjärjestys kertoo mikrobidiversiteetistä, RNA kuvaa aktiivista mikrobistoa Kuvat: Pepper ym. 2015, Illumina.com 3
Tavoitteet Selvittää Desinfiointiaineen ja putkimateriaalin vaikutusta veden ja biofilmin bakteeriyhteisön rakenteeseen ja veden laatuun pilot-mittakaavan talousvesiverkostossa Klooriamiini Na-hypokloriitti Cu BAKTEERI- KOOSTUMUS Osa Microbiome Dynamics of Drinking Water Distribution Systems -projektia (Suomen Akatemia 2014-2018) PEX 4
Koeasetelma Talousvesi pintavesi -saostus [PIX-322, Fe 2 (SO 4 ) 3 ]- flotaatio suodatus - alkalointi Putket + keräimet 2 linjaa: Cu sisä-ø 10 mm, 50 m + keräimet (pituus 15 cm, 38 kpl) 2 linjaa: PEX sisä-ø 10 mm, 50 m + keräimet (pituus 15 cm, 38 kpl) Alkudesinfiointi ja huuhtelu Biofilmin kasvatus: veden virtaus ilman desinfiointia 9 viikkoa Virtaama 250 ml/min 5
Koeasetelma Desinfiointi 10 viikkoa 1. Cu + NaOCl 2. Cu + klooriamiini 3. PEX + NaOCl 4. PEX + klooriamiini NaOCl (10 %) Syöttö laimennetusta liuoksesta 30 ml/h Klooriamiini NaOCl (10 %) + ammoniakkivesi (24,5 %) Syöttö laimennetuista liuoksista 30 ml/h ammoniakki : kloori suhteessa 1 : 3 (g/m 3 ), ph 7,7 8,2 Kuvat: Sallamaari Siponen 6
Analyysit Näytteenotto 1 x/viikko ulostuleva vesi 2 biofilmikeräintä /linja Muuttuja Menetelmä Ulostuleva vesi Kokonais- ja vapaa kloori Spektrofotometri + Klooriamiini Spektrofotometri + Biofilmi Syöttöveden laatua mitattiin koko tutkimuksen ajan Lt, ph, sähkönjohtokyky Sameus Väri, COD Mn Fe Alkaliteetti Ammonium, nitriitti Spektrofotometri + ph, sähkönjohtokyky, sameus, absorbanssi, Cu, Fe, AOC ja MAP, on-line lt, ph, sähkönjohtokyky, sameus, happi, redox Viljeltävien mikrobien lkm. R2A, 22 C, 7 vrk + + Mikrobien lukumäärä DAPI + mikrosk. + + ATP Luminometri + + Bakteerikoostumus Syväsekvensointi + bioinformatiikka Esityksen nimi / Tekijä 14.5.2018 7 + + +
Tulokset Kloori ja klooriamiini Pitoisuudet alkoivat nousta viikon jälkeen desinfioinnin aloittamisesta PEX-linjassa klooriamiini aiheutti muista poikkeavan nousun Klooripitoisuuden nousu hitainta Cu + Na-hypokloriittilinjassa Ammoniumpitoisuus <0,3 mg/l Nitriittiä ei havaittu Klooriamiinipitoisuus (mg Cl 2 /l) Klooripitoisuus (mg Cl 2 /l) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kokonaiskloori ulostulevassa vedessä Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini Mittausajankohta Klooriamiinipitoisuus ulostulevassa vedessä Cu + Klooriamiini PEX + Klooriamiini Mittausajankohta 8
R2A ulostulevassa vedessä Tulokset Pesäkelukumäärä R2A Desinfiointi vähensi veden bakteeripitoisuutta muissa paitsi Cu + Nahypokloriittilinjassa Pesäkelukumäärä (cfu/ml) 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 Mittausajankohta Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini Sisäänmenevä jossa klooripitoisuus jäi pienimmäksi R2A biofilmissä Desinfiointitehon saavuttaminen oli vaikeampaa biofilmeissä joissa bakteeripitoisuus väheni vain PEX-putkissa PEX + Klooriamiini tehokkain Pesäkelukumäärä (cfu/cm 2 ) 10000000 1000000 100000 10000 1000 100 10 Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini 1 9 Mittausajankohta
ATP ulostulevassa vedessä Tulokset ATP pmol/ml 1 0,1 0,01 Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini Desinfiointi vähensi veden ATPpitoisuutta kaikissa linjoissa 0,001 Mittausajankohta Sisäänmenevä Desinfiointi vähensi biofilmin ATP:tä eniten klooriamiinilinjoissa 10 ATP biofilmissä 1 pmol/cm 2 0,1 Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini 0,01 PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini 0,001 Mittausajankohta 10
DAPI ulostulevassa vedessä Tulokset 500000 Mikrobien kokonaislukumäärä DAPI Lukumäärä/ml 50000 Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini Sisäänmenevä Desinfiointi ei vaikuttanut veden mikrobien kokonaislukumäärään Mittausajanjakso DAPI biofilmissä Desinfiointi vähensi biofilmin mikrobien kokonaislukumäärää Cu + kloori-amiinilinjassa Lukumäärä/cm 2 5000000 500000 Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini 50000 Mittausajankohta 11
Tulokset Bakteeriyhteisön rakenne Vesien ja biofilmien bakteeripopulaatiot ovat osittain erilaisia 12
Tulokset Vesi: luokkatason RNA-tulokset 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Muut Acidobacteriia Deltaproteobacteria Actinobacteria Verrucomicrobiae Bacteroidia Planctomycetacia Cyanobacteria; Oxyphotobacteria Chloroflexi; JG30-KF-CM66 Alphaproteobacteria Gammaproteobacteria 13
Tulokset 100 % 90 % 80 % 70 % Biofilmi: luokkatason RNA-tulokset Muut Verrucomicrobiae Cyanobacteria; Oxyphotobacteria Deltaproteobacteria 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Bacteroidia Clostridia Planctomycetacia Actinobacteria Bacilli 0 % Alphaproteobacteria Gammaproteobacteria 14
Alustavat tulokset Dynamiikka Vesi: RNA-tulokset Cu + Na-hypokloriitti Cu + Klooriamiini PEX + Na-hypokloriitti PEX + Klooriamiini sisäänmenevä Desinfioinnin jatkuessa veden aktiiviset bakteeripopulaatiot alkoivat eriytyä 10 viikon desinfioinnin jälkeen Na-hypokloriittilinjojen bakteeristot lähellä toisiaan Klooriamiinilinjojen bakteeristot lähellä toisiaan Pienimmät pallot: ennen desinfiointia Keskikokoiset pallot: desinfiointijakson alkupuoli Isot pallot: desinfiointijakson loppupuoli 15
Johtopäätökset R2A, ATP, DAPI NGS Desinfioinnin vaikutukset aktiivisesti kasvaviin mikrobeihin olivat vähäisemmät biofilmissä kuin vedessä Biofilmissä klooriamiinin vaikutukset olivat suuremmat kuin hypokloriitin Desinfiointi muokkaa bakteeriyhteisön rakennetta Desinfiointiaine valikoi bakteeristoa enemmän kuin putkimateriaali Putkimateriaali vaikutti desinfioinnin tehokkuuteen 16
Työryhmä Sallamaari Siponen väitöskirjantekijä, UEF, THL Matti Ruokolainen pro gradu työn tekijä, UEF Anna-Maria Hokajärvi, THL Jenni Ikonen, THL Jenni Inkinen, THL, UEF Balamuralikrishna Jayaprakash, THL Mikko Kolehmainen, UEF Jussi Paananen, UEF Ilkka Miettinen, THL Tarja Pitkänen, THL 17
Kiitokset Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto Suomen Akatemia Savonia ammattikorkeakoulu, Ympäristötekniikka yhteistyövesilaitokset 18
Kiitos! uef.fi