Vesijohtoverkoston reaaliaikainen mikrobivalvonta Vesihuolto 2016 Hämeenlinna 8. 9.6.2016 Elias Hakalehto, Bioteknisen mikrobianalytiikan dosentti, Itä Suomen yliopisto Tarja Pitkänen, Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, Vesi ja terveysyksikkö Anneli Heitto, Finnoflag Oy Anna Maria Hokajärvi, Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, Vesi ja terveysyksikkö Etävalvonta lisää turvallisuutta Puhtaan veden online seuranta tällä hetkellä perustuu fysikaalis kemiallisiin parametreihin Käyttöveden mikrobiologinen saastuminen on akuuttien terveysvaikutusten osalta usein merkittävämpi uhka kuin kemiallisten parametrien kohoaminen Sameuden ym seuranta voi antaa viitteitä mikrobiologisesta ongelmasta, mutta varmistus saadaan usein vasta seuraavana päivänä Mikrobiologisen ongelman mahdollisimman nopea havaitseminen etävalvonnan avulla lisää vesihuollon turvallisuutta 1
Polaris hanke mittava kansallinen yhteistyöhanke Vuosina 2009 2012 toteutetussa Polaris hankkeessa (Vedenlaadun kokonaisjärjestelmän kehittäminen) tutkittiin yhtenä osa alueena vesien automatisoitua mikrobiologista etäseurantaa. Mukana Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, Geologinen tutkimuskeskus, Itä Suomen yliopisto, Oulun yliopisto, Ilmatieteen laitos ja Savonia ammattikorkeakoulu. Yhteistyötahoja olivat mm. Maa ja metsätalousministeriö, Sosiaali ja terveysministeriö, Vesilaitosyhdistys, neljä kunnallista vesilaitosta sekä useita yrityksiä. Laajoja testejä mikrobiologisen etäseurannan kehittämiseksi toteutettiin etenkin Mikkelin vesilaitoksella. Uusia mikrobiologisen seurannan menetelmiä Hankkeessa käytettyjä mikrobitutkimukseen tarkoitettuja laitteita olivat optimoituun mikrobikasvatukseen kehitetty PMEU Spectrion (Finnoflag Oy) sekä automatisoituun mikrobiologiseen etäseurantaan kehitetty Coliline PMEU (Samplion Oy, Berner Oy), joissa mikrobien kasvatuksessa käytettiin Colilert elatusalustaa (IDEXX Corporation). PMEU Spectrion Coliline PMEU 2
PMEU teknologian tausta ajatuksia JOTTA VESINÄYTTEIDEN MIKROBIMÄÄRIÄ VOITAISIIN LUOTETTAVASTI TUTKIA: NÄYTTEET OTETTAVA EDUSTAVALLE TAVALLA RIKASTUSVILJELY ALOITETTAVA HETI OIKEAT OLOSUHTEET JA SELEKTIO (ESIM. HYGIENIAINDIKAATTORIT) ETÄSEURANTA VEDENJAKELUVERKOSTOSSA TAI TEOLLISUUDEN TUOTANTOLINJASTOILLA TAI EPIDEMIOIDEN YHTEYDESSÄ REAALIAIKAINEN RIKASTUSVILJELYN TULOSSEURANTA JATKONÄYTTEIDEN VERIFIKAATIO/KONFIRMAATIO PMEU ON YHTEENSOPIVA ERI GENEETTISTEN JA IMMUNOLOGISTEN VALVONTAMENETELMIEN NOPEAAN ESIRIKASTUKSEEN, SEKÄ ERI MIKROBIOLOGISTEN METODIEN KONTROLLIKSI A. TALOUSVESI B. TEOLLISUUDEN KÄYTTÖVESI C. UIMA JA VIRKISTYSVEDET D. LUONNONVEDET E. RISKITEKIJÖIDEN (ESIM. ANTIBIOOTTIRESISTENTI KANNAT) MONITOROINTI PMEU:n käyttöesimerkkejä vesilaitosprojekteissa: Kuopion Vesi: KUOPION VEDENJAKELUJÄRJESTELMÄN JA VERKOSTON HYGIENIAKARTOITUS PMEU RIKASTUSLAITETTA KÄYTTÄEN 2004 Tampereen vesi: PMEU SPECTRION MIKROBIEN RIKASTUSLAITTEEN KÄYTTÖ HETEROTROFISTEN BAKTEERIEN OSOITTAMISEEN TAMPEREEN VERKOSTOVEDESTÄ 2010 Turun Vesi: PMEU SPECTRION MIKROBIEN RIKASTUSLAITTEEN KÄYTTÖ HETEROTROFISTEN BAKTEERIEN OSOITTAMISEEN TURUN VERKOSTOVEDESTÄ 2010 Ympäristö Ilona 10/2006 3
PMEU Coliline Koliformiset bakteerit keltaisen värin detektiolla E. coli fluoresenssidetektorilla Näytteenotto automaattisesti UVAS hälytyksestä Etäseuranta, joka antaa hälytykset sameuden noustessa Polaris projektissa tehdyt testaukset vesilaitosympäristössä Alkutestaukset laboratoriossa Testaukset Polaris kohteissa Raakavesi, havaintoputket, pohjavesikaivot Laitokselta lähtevä vesi Referenssianalyysit laboratoriossa Hälytys sameudesta tai absorbanssista Pilot vesilaitoskokeet Raakaveden UVAS hälytykseen perustuva näytteenotto Ohjelmoidusti hiekkasuodatuksen jälkeen 4
Automatisoitu näytteenotto ja analyysin aloitus Näytepisteessä jatkuva sivuvirta laitteen läpi Mikrobianalysaattori kytketty online sensoriin Näytteenotto käynnistyy online sensorin hälytysrajan ylityksestä Analyysi alkaa välittömästi näytteenoton jälkeen Analysaattori lämpenee mikrobien kasvatuslämpötilaan Detektorit alkavat mitata mikrobikasvua Automaattinen havaitseminen Detektoreille voidaan asettaa hälytysraja Ylityksestä GSM hälytys Mikrobianalysaattoria voi ohjata ja mikrobikasvustoa seurata etänä Datan siirto ja tallennus GSM verkon välityksellä 5
VASTEAJAT PILOT AJOISSA 1 10 MPN/100 ml 15 18 tuntia 10 100 MPN/100 ml 13 14 tuntia 100 1000 MPN/100 ml 10 12 tuntia 1000 10 000 MPN/100 ml alle 10 tuntia Online mittausten haasteita Sensorien valinta valinta, lukumäärä ja sijoittelu riippuu erityisesti käytettävissä olevista resursseista Hälytysrajat ja toimenpiteiden ennakointi Reaaliaikaisuuden hyödyntäminen, datan käsittely Mittaustulosten seuraamisesta huolehdittava Varattava aikaa, nimettävä vastuuhenkilöt Mittareiden huolto ja kalibrointi (referenssimittaukset) Luotettavat mittaukset edellyttävät että mittareita huolletaan Hyvät on line mittaukset edellyttävät käytännössä liki samaa kuin laboratoriomittalaitteista huolehtiminen 6
Vesilaitostarkkailun lisäksi PMEU menetelmä sopii myös ympäristövalvontaan sekä ympäristöstä aiheutuvien riskien havaitsemiseen vedenjakelussa The magnificent interdependence of man, his microbes, and the environment emphasizes the high relevance of the microbiological surveillance systems in safeguarding our health as well as product or production hygiene. As a matter of fact, the current idea of screening solely some specific organisms, such as fecal coliforms or enterococci, as the indicators of the microbial condition of the environment, should be replaced by a more versatile view on the potential microbial indicators. Hakalehto, E. 2015. Bacteriological indications of human activities in the ecosystems. In: Armon, R. & Hänninen, O. (eds.) Environmental indicators. Springer Verlag, Germany. Kampylobakteerien osoituksen nopeuttaminen Pitkänen, T., Bräcker, J., Miettinen, I., Heitto, A., Pesola, J, & Hakalehto, E. 2009. Enhanced enrichment and detection of thermotolerant Campylobacter species from water using the Portable Microbe Enrichment Unit (PMEU) and realtime PCR. Can J Microbiol, 55: 849 858. 7
Raakavesilähteen tarkkailu Burkina Fasossa kampylobakteerien genotyyppien distribuutio agricultural land animal feed grains chicken town market irrigation (pediatric) patients waste water pool Hakalehto, E. 2015. Hazards and prevention of food spoilage. In: Hakalehto, E. (ed.) Microbial food hygiene. New York, NY, USA: Nova Science Publishers, Inc. Hakalehto, E., Nyholm, O., Bonkoungou, I.J.O., Kagambega, A., Rissanen, K., Heitto, A., Barro, N. & Haukka, K. 2014. Development of microbiological field methodology for water and food chain hygiene analysis of Campylobacter spp. and Yersinia spp. in Burkina Faso, West Africa. Pathophysiology, 21: 219 229. PMEU:n käyttöesimerkkejä vesistöprojekteissa: Stromsdalin Juankosken tehtaan jätevesipäästöjen sisältämien Klebsiellabakteerien säilymisen ja kulkeutumisen esiselvitys 2005 Hygieniabakteeritutkimus Porovedellä ja virta asemilla 2006 Indikaattoribakteeritutkimuksia Kallavedellä 2005 2011 Heitto, L., Heitto, A., & Hakalehto, E. 2009. Tracing wastewaters with faecal enterococci. (Poster). Second European Large Lakes Symposium. Norrtälje, Sweden. Bakteeritutkimukset Kuopion Lehtoniemen puhdistamon ja Savon Sellun edustalla 8
PMEU ympäristötutkimuksissa: Fosfaatin vapautuminen sedimentistä eri sulfaattipitoisuuksilla Heitto, L., Heitto, A., Torssonen, J., Hakalehto, E. 2015. Effect of sulphate concentration on phosphate mobilization from lake sediment an experimental study. Poster Presentation in 21 st International Conference on Environmental Indicators (ICEI 2015). Windsor, Canada. Journal of Environmental Indicators, 9: 39 40. Mycobacterium sp. tunnistuksen nopeutus Hakalehto, E. 2013. Enhanced mycobacterial diagnostics in liquid medium by microaerobic bubble flow in Portable Microbe Enrichment Unit1. Pathophysiology 20: 177 180. 9
Muodostavatko vedenpuhdistamot riskin antibioottiresistenssin leviämiselle? 10
a) The influence on growth of Enterobacter cloacae b) in the PMEU Spectrion in TYG medium in presence of different antibiotics. a- E. cloacae in TYG medium (control), b with penicillin G, c with cefuroxime, d with netilmicin. c) d) Hakalehto, E. 2011. Antibiotic resistance traits of facultative Enterobacter cloacae strain studied with the PMEU (Portable Microbe Enrichment Unit). In: Antonio Méndez-Vilas (ed.) Science against microbial pathogens: communicating current research and technological advances, Formatex Research Center, Badajoz. Spain: Microbiology Series N:o3. Vol. 2. pp.786-796. 11
Samgina, T. Yu et al. 2012. Journal of Proteome Research American Chemical Society Figure 4. (a) Growth of Staphylococcus aureus strain in the TYG medium without peptide additions; (b) growth of Staphylococcus aureus strain in the presence of 0.01 mg/ml of M3 sample; (c) growth of Staphylococcus aureus strain in the presence of 0.03 mg/ml of M3 sample. Skin peptides under the control of frog enzymes Samgina, T.Y, Tolpina, M.I., Hakalehto, E., Artemenko, K.A., Bergquist, J., Lebedev, A.T. 2016. Proteolytic degradation and deactivation of amphibian skin peptides obtained by electrical stimulation of their dorsal glands. Analytical and Bioanalytical Chemistry. Springer Verlag Berlin Heidelberg. 12
Microbiological Hygiene kirjasarja Microbiological Industrial Hygiene Kesällä 2016 Microbiological Environmental Hygiene Loppuvuonna 2016 Tammikuu 2015 Joulukuu 2015 Kaasujen ja mikrobien vuorovaikutus The PMEU Spectrion laitetta käytetään bakteerien ja muiden mikrobien kasvatukseen sekä kasvun osoittamiseen ja seuraamiseen joko UV valolla, näkyvällä valolla tai IRsensoreilla. Kuvassa oikealla näkyy tarkemmin ketjutettuna kasvatusruiskut PMEU Spectrion laitteessa. Ruiskussa emittoituva kaasu johdetaan kuplitettuna seuraavaan ruiskuun.kuva Kevin King. Hakalehto, E. 2013. Interactions of Klebsiella sp. With other intestinal flora. In Pereira, L.A. & Santos, A. (eds) Klebsiella infections: Epidemiology, pathogenesis and clinical outcomes. Nova Science Publishers, Inc. New York, USA. 13
Suhteellinen IR transmissio Kasvatusaika (t) 0 5 10 15 20 25 30 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ruiskusta toiseen johdetun hiilidioksidin vaikutus klostridien kasvuun PMEU laitteessa Hakalehto, E. & Hänninen, O. 2012: Gaseous CO2 signal initiate growth of butyric acid producing Clostridium butyricum both in pure culture and in mixed cultures with Lactobacillus brevis. Can. J. Microbiol. 58: 928 931. Hiilidioksidi nopeuttaa kasvua Sample 1 Sample 2 Sample 3 Relative change in the electric charges caused by the gas emission from the culture 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 Time 5 from the 10onset of the 15 cultivation 20 (h) 25 Ohuet viivat = C. butyricum Paksut viivat= C. butyricum yhdistettynä L. brevis kasvustoon MOS1_Cl MOS2_Cl MOS3_Cl ScCell1_Cl ScCell2_Cl MOS1_Cl + La MOS2_Cl + La MOS3_Cl + La ScCell1_Cl + La ScCell2_Cl + La CO 2 stimuloi voihappoa tuottavan Clostridium butyricum kasvun alkamista sekä puhdasviljelmässä että sekaviljelmässä yhdessä Lactobacillus brevis bakteerin kanssa PERINTEISET VILJELYMENETELMÄT KIIHDYTETTY RIKASTUSVILJELY (PMEU) MOLEKYYLI- BIOLOGIAN MENETELMÄT kalvosuodatus maljaviljelyt MPN most probable number liemiputket Colilert ja muut selektiiviset alustat immunoassayt PCR bioanturit, sirut VESIHYGIENIAN TESTAUSMENETELMÄT 14
AUTOMAATTINEN ETÄVALVONTA ON YKSI KEINO VASTATA VESIEN MIKROBITURVALLISUUDEN JA YMPÄRISTÖTERVEYDEN HAASTEISIIN NYT JA TULEVAISUUDESSA. KIITOS! 15