Методичні підходи до вивчення мікробіологічної середи систем розподілу питної води

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний аграрно-економічний університет

Методичні підходи до вивчення мікробіологічної середи систем розподілу питної води

Бреус Д.С.,

к.с.-г.н.,

Анотація

Організація Об'єднаних Націй позиціонує дефіцит води проблемою номер один у світі. До 2025 року 3,2 мільярда жителів планети страждатимуть від нестачі прісної води. Кожен день у світі споживається близько 10 мільярдів тонн води. Встановлено, що приблизно 80% використаної води у світі потрапляє назад в навколишнє середовище неочищеною.

Безпека питної води вважається і сприймається як належне споживачами в більшості розвинених країн. Проте наше розуміння мікробіологічної середи систем розподілу питної води (СРПВ) обмежене, частково через те, що ці середовища важкодоступні, а також, що вони традиційно вважалися складними середовищами для життя мікробів у порівнянні з іншими водними екосистемами. Але доступна наукова література, яка підкріплюється застосуванням останніх досягнень молекулярних методів дослідження системи розподілення питної води, вказує на те, що вони є екосистемами з різноманітними мікробними угрупуваннями від вірусів до найпростіших [1].

Сучасні водоочисні споруди можуть очищувати питну воду надійно, ефективно та результативно, незважаючи на джерело та початкову якість води. Хоча ця вода є безпечною та високоякісною, вона далеко нестерильна. Очищена вода транспортується до кінцевих споживачів через складну інфраструктуру розподілу води. Вживаються профілактичні заходи щодо контролю якості води, в тому числі мікробіологічного забруднення, на очисних спорудах та шляхом забезпечення дезінфекційних заходів на більшості СРПВ. Тим не менш, деякі мікроорганізми можуть зберігатися після обробки, потрапляти та жити в системах розподілу [2].

Дослідження мікробіологічної середи систем розподілу питної води традиційно базується на культивуванні організмів із масових проб води. Розробка та застосування молекулярних методів забезпечила нові інструменти для вивчення мікробного різноманіття та активності зразків навколишнього середовища, даючи нові знання про мікробні угрупування та їх різноманітність у цих інженерно-ство - рених екосистемах.

Вивчення біоплівок вважається особливо важливим, оскільки вони відіграють важливу роль у процесах і взаємодіях, що відбуваються на межі розділу стінки труби та води. Переваги, обмеження та корисність методів, які можна використовувати для виявлення та оцінки чисельності мікроорганізмів, складу та функції угрупувань, розглядаються в контексті СРПВ.

Ключові слова: мікробіологічна середа, мікробні угрупування, система розподілення питної води, біоплівки, забруднення води, методи досліджень мікробних угрупувань.

Abstract

Breus D.S. - PhD in Agriculture,

Kherson State Agrarian and Economic University,

The United Nations ranks water scarcity as the world's number one problem. By 2025, 3.2 billion inhabitants of the planet will suffer from a lack of fresh water. About 10 billion tons of water is consumed every day in the world. It has been established that approximately 80% of the used water in the world is returned to the environment untreated.

The safety of drinking water is considered and taken for granted by consumers in most developed countries. However, our understanding of the microbial environment of drinking water distribution systems (DWDS) is limited, in part because these environments are difficult to access, and because they have traditionally been considered difficult environments for microbes to live in compared to other aquatic ecosystems. But the available scientific literature, which is supported by the application of recent advances in molecular methods of studying the drinking water distribution system, indicates that they are ecosystems with diverse microbial communities from viruses to protozoa [1].

Modern water treatment plants can treat drinking water reliably, efficiently and effectively, regardless of the source and initial quality of the water. Although this water is safe and of high quality, it is far from sterile. Purified water is transported to end users through a complex water distribution infrastructure. Preventive measures are taken to control water quality, including microbiological contamination, at treatment facilities and by providing disinfection measures at most DWDS. However, some microorganisms can persist after treatment, enter and live in distribution systems [2].

The study of the microbiological environment of drinking water distribution systems is traditionally based on the cultivation of organisms from bulk water samples. The development and application of molecular techniques has provided new tools to study the microbial diversity and activity of environmental samples, yielding new knowledge about microbial communities and their diversity in these engineered ecosystems.

The study of biofilms is considered particularly important because they play an important role in the processes and interactions that occur at the interface between the pipe wall and water. The advantages, limitations, and utility of methods that can be used to detect and assess microbial abundance, community composition, and function are reviewed in the context of DWDS.

Keywords: microbiological environment, microbial communities, drinking water distribution system, biofilms, water pollution, methods of research of microbial communities.

Основна частина

Постановка завдання. Метою статті є критична оцінка наявних на даний момент методів та нових підходів до характеристики мікробних угрупувань, включаючи планктонні та біоплівкові. Стаття може бути корисною для інженерів-гідротехніків та екологів, що займаються дослідженням мікробів у системах розподілення питної води та під час вибору найбільш відповідного інструменту для оцінки мікробіологічного стану питної води та пов'язаних з нею аспектів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Більшість вітчизняних очисних споруд не завжди працюють відповідно до високих стандартів питної води, які прийняті у світі, забезпечуючи угрупування мікроорганізмів поживними речовинами для розвитку у системах розподілення питної води. Мікроорганізми також можуть потрапити в розподільні мережі під час монтажу, ремонту або заміни інфраструктури, та шляхом часткового проникнення під час зниження тиску у системі. Після того, як мікроорганізми потраплять у СРПВ, вони зіткнуться зі складним середовищем з обмеженою кількістю поживних речовин для їх розвитку, мінливим потоком води та коливаннями тиску. Як наслідок, пристосування до цих умов, мікроорганізми часто виживають прикріплюючись до внутрішніх поверхонь труб у біоплівці, де вони захищені від зовнішніх несприятливих факторів і отримують користь від взаємодії з іншими мікроорганізмами. Понад 95% мікробної біомаси в СРПВ прикріплюється до стінок труби, утворюючи біоплівки [3].

Щоб відповісти на ці питання, для вивчення СРПВ використовувалися різні методи, починаючи від культуро-залежних методів (так званні culture-dependentmethodsабо CDMs), і закінчуючи методами, що не залежать від культури бактерій (culture-independentmethodsабо CIMs). Відповідно до нормативних вимог водопровідні компанії регулярно використовують культуро-залежні методи для оцінки якості питної води. Культуро-зележне виявлення та підрахунок фекальних коліформ є корисними для моніторингу питної води на фекальні забруднення, надаючи водопровідним службам дані необхідні для розрахунків. Однак вони надають обмежену інформацію про загальні мікробні угрупування (що охоплює < 1% їх різноманіття) та зміни в ній. Застосування методів, незалежних від культури бактерій, подолало ці обмеження та виявило нове та покращене уявлення про мікробіологічний світ у СРПВ. Впровадження цих методів як способу вибору для дослідження мікробних угрупувань водопровідними службами відбувається повільно, оскільки вони потребують більш спеціалізованого обладнання, навченого персоналу та є дорожчими, ніж культу - ро-залежні методи. Проте очікується, що найближчим часом низка методів, незалежних від культури бактерій, буде використовуватися регулярно [5].

Для визначення мікробіологічних параметрів необхідні належні процедури відбору проб. Програми відбору проб, вказівки щодо практики та процедур моніторингу якості води в СРПВ були розроблені та спроектовані міжнародними організаціями та водопровідними компаніями. Всесвітня організація охорони здоров'я (ВООЗ) опублікувала кілька видань «Рекомендацій щодо якості питної води» (2011), де можна знайти інформацію про стандартизовані методи мікробного аналізу СРПВ (ISO5667-5:2006) [6].

Спираючись на досвід розвинутих країн світу можна зробити висновки щодо подальшої організації роботи у сфері вивчення якості питної води. Так, наприклад, в США «Закон про безпечну питну воду» уповноважує Агентство з охорони навколишнього середовища (USEPA) встановлювати стандарти питної води, воно розробило посібник, який допомагає відбирати проби води відповідно до цих стандартів У Європейському Союзі (ЄС) Директива Ради 98/83/ECвід 03 листопада 1998 року про якість води, призначеної для споживання людиною, регулює якість води та вимагає, щоб країни ЄС відповідали ряду параметрів і стандартів здоров'я. У Великій Британії Екологічна агенція (EA) також надає вказівки щодо методів відбору та аналізу проб для визначення якості питної води, а інспекція питної води регулює водопровідні компанії в Англії та Уельсі, щоб гарантувати, що якість питної води є безпечною та прийнятною для споживачів [7].

Незважаючи на суворі стандарти регулювання, у науковій літературі часто бракує деталей щодо методології відбору проб, що ускладнює оцінку та порівняння даних між системами та дослідженнями. Під час відбору проб необхідно враховувати кілька основних правил, таких як використання відповідних контейнерів для відбору проб, транспортування, зберігання та уникнення забруднення під час відбору. Однак, якщо необхідно провести дослідження із застосуванням нестандартних методів аналізу питної води, таких як, наприклад, молекулярних (ДНК/РНК), то чинні офіційні правила та рекомендації, описані вище, не містять жодних вказівок щодо цих видів досліджень. Наприклад, немає стандартів щодо мінімального репрезентативного об'єму проби, необхідного для охоплення повного мікробіому, присутнього в СРПВ. Так, наприклад, у літературі для концентрування мікробної біомаси для подальшого молекулярного аналізу можна зустріти різні об'єми проб води, яка відбирається для аналізу - від 1 до 100 л. Відсутність стандартів для молекулярних досліджень води робить порівняння результатів різних лабораторій дуже складним [8].

Дослідження біоплівки є ключовим компонентом мікробіологічних досліджень СРПВ, але оскільки труби у діючих системах водопостачання є важко доступними для вивчення, збір зразків із реальних систем є серйозною проблемою. Як правило, настільні лабораторні біоплівкові реактори, такі, як ротаційний дисковий реактор, кільцевий біоплівковий реактор, і реактор «Propella» використовувались для вивчення різних абіотичних факторів, які можуть впливати на формування біоплівки. Однак, треба зазначити, що вони погано відтворюють умови реальних трубопровідних мереж [9].

Виклад основного матеріалу дослідження. На даний момент існує два різних підходи для вивчення біоплівок в умовах наближених до СРПВ. Один передбачає вирізання труб; інший спирається на пристрої, вставлені в трубу. Протоколи відбору проб із вирізів труб є трудомісткими, дорогими та класифікуються як деструктивні методи відбору проб. Крім того, процеси розкопок і різання часто викликають занепокоєння щодо забруднення проб. Використання пристроїв, як правило, переборок, які можна розгортати неодноразово або в пілотному випробувальному центрі, або в робочому СРПВ, дозволяє вивчати динаміку біоплівки у часі через зміну абіотичних і біотичних факторів на місці. Як правило, основним обмеженням деяких із цих пристроїв є те, що вони не завжди вірно передають гідравлічні умови в трубах, і в більшості випадків режими турбулентності відрізняються від справжніх умов роботи СРПВ, що штучно впливає на спосіб розвитку біоплівок. Пристрій Роббіна і тримач «PipeSlidingCoupon» є представниками таких типів пристроїв з гідравлічними обмеженнями. Деякі пристрої, такі як «Біоплівковий пробовідбірник», безпосередньо підключені до СРПВ, щоб уникнути спотворення гідравлічних умов у процесах утворення біоплівки, але для вивчення біоплівок у природних умовах, наприклад, за допомогою методів мікроскопії, біоплівки потрібно видалити з переборки. Зразок PennineWaterGroup, «PWGCoupon», використовує переваги «Біоплівкового пробовідбірника» на крок далі, оскільки зразок вигнутий і тому розташований на одному рівні зі стінкою труби, зменшуючи викривлення гідравлічних умов. Ще однією перевагою є те, що переборка складається з двох частин: «вставка», що знімається, яка дозволяє аналізу в атибіоплівки в реальних умовах, і зовнішню частину, яку можна використовувати для вилучення нуклеїнових кислот для подальшої характеристики мікробних угрупувань [10].

Застосування методів переборок, як в експериментальних, так і в робочих СРПВ дозволяє покращити розуміння пробіоплівки і численні абіотичні фактори, які можуть відігравати роль у їх формуванні та властивостях питної води.

На рисунку 1 представлені методи, які найчастіше використовуються для виявлення кількісного складу та характеристики мікробних угрупувань у пробах питної води. Звичайні мікробіологічні методи традиційно застосовуються для моніторингу зміну мікробіологічній якості води. Незважаючи на їх корисність, ці методи, безумовно, обмежені, і вони показують лише відносно невелику частку (<1%) від загальної різноманітності проб води. Останнім часом молекулярні підходи обійшли ці обмеження, що дозволяє отримати більш детальне зображення мікробних угрупувань [11].

Схема існуючих методів характеристики мікробних угрупувань у системах розподілу питної води

Незважаючи на добре відомі обмеження культуро-залежних методів, вони є нормативним для використання водопровідними компаніями та аналітичними лабораторіями для регулярного моніторингу мікробіологічної якості питної води, включаючи виявлення фекального забруднення.

Еталонним методом, що використовується для звичайного бактеріологічного моніторингу питної води, є метод гетеротрофного підрахунку (HPC), які оцінюють лише гетеротрофні бактерії, здатні утворювати колонії на твердому середовищі при певній температурі. Під рахунок кількості колоній, що виросли після певного часу інкубації, дає загальну оцінку бактеріологічного навантаження в пробах води. Існує кілька стандартизованих методів HPC, але немає затвердженої стандартної процедури. Ці методи включають інкубацію чаш Петрі і з бактеріями при температурі від 20°Cдо 37°Cпротягом періоду від кількох годин до кількох днів (Allenetal., 2004). Цей метод дає лише інформацію про обмежену частину всього мікробного угрупування у зразку, але низька вартість, відносна простота, широке визнання та довга історія методу робить його зручним інструментом для водопровідних служб для оцінки ефективності очищення води та визначення повторного росту мікроорганізмів у мережі [12].

Культуро-залежні тести також використовуються для виявлення мікроорганізмів-індикаторів, таких як колі формні бактерії. Такі бактерії, як Escherichiaspp., Enterobacterspp.iCitrobacterspp.є звичними для фекалій тварин, а тому їх присутність у зразках води вище певних концентрацій, встановлених спеціальним законодавством, дає підстави вважати, що вона забруднена фекаліями [8]. Для виявлення колі форм у питній воді часто використовуються методи мембранної фільтрації і метод багатопробіркової ферментації. Техніка мембранної фільтрації полягає у фільтруванні зразка води для концентрації клітин з подальшою інкубацією фільтра у певному середовищі та через певний період часу підраховують розвинені колонії. У методиці багатопробіркової ферментації концентрацію бактерій оцінюють шляхом інокуляції серії пробірок з рідким середовищем десятикратним розведенням зразка води. Якщо середовище підтримує ріст мікроорганізмів, воно стає каламутним, і результати можна виразити за допомогою оцінки середньої кількості бактерій у зразку, відомої як метод найбільш ймовірного числа. Проте, як правило, необхідні додаткові тести для підтвердження присутності специфічних колі формних організмів. Тести, які використовуються для аналізу цих бактерій, відносно дешеві, прості та безпечні у виконанні, що забезпечує водопровідні компанії та аналітичні лабораторії зручним інструментом для оцінки ризику фекального забруднення [13].

Всі переваги та недоліки підходів, які зараз використовуються в мікробіології навколишнього середовища, було розглянуто з позиції їх застосовності до систем розподілу питної води. Але кінцевий вибір методики залежить від мети дослідження, необхідного рівня роздільної здатності, наявності спеціалізованого обладнання та доступного фінансування.

Сучасні молекулярні методи дослідження мікробних угрупувань систем розподілу питної води

1. Szewzyk U., Szewzyk R., Manz W., Schleifer K.H. (2000). Microbiological safety of drinking water. Annual Review of Microbiology, no. 54, 81-127.

2. Besner M.-C., Prevost M., Regli S. (2011). Assessing the public health risk of microbial intrusion events in distribution systems: conceptual model, available data, and challenges. Water Research, no. 45 (3), 961-979.

3. Henne K., Kahlisch L., Brettar I., Hofle M.G. (2012). Analysis of structure and composition of bacterial core communities in mature drinking water biofilmsandbulk water of a city wide network in Germany. Applied and Environmental Microbiology, No. 78 (10), 3530-3538.

4. Tilman D. (2001). Functional diversity. Encyclopedia of Biodiversity, Academic Press, San Diego, CA. pp. 109-120.

5. Breus D.S. (2020). Doslidzhennia ekolohichnoho stanu akvatorii Kakhovs - koho vodoskhovyshcha [Study of the ecological state of the water area of the Kahovka water reservoir]. Aquatic bioresources and aquaculture, no. 2, 9-18. [in Ukrainian].

6. Gomez-Alvarez V., Revetta R.P., Domingo J.W.S. (2012). Metagenomic analyses of drinking water receiving different disinfection treatments. Applied and Environmental Microbiology, no. 78 (10), 6095-6102.

7. Breus D., Dudyaeva O., Evtushenko O., Skok S. (2018). Organic agriculture as a component of the sustainable development of the Kherson region(Ukraine). International Multidisciplinary Scientific Geo Conference: SGEM, no. 18 (5.2), 691-697.

8. Boubetra A., Le Nestour F., Allaert C., Feinberg M. (2011). Validation of alternative methods for the control of drinking water: application to Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology, 70 (10), 3360-3367.

9. Breus D.S. (2020). Svitovyi dosvid vedennia orhanichnoho zemlerobstva ta perspektyvy yoho rozvytku v Ukraini [World experience of conducting organic farming and prospects for its development in Ukraine]. Taurida Scientific Bulletin, no. 116, 198-206. [in Ukrainian].

10. Kahlisch L., Henne K., Grobe L., Brettar I., Hofle M. (2011). Assessing the viability of bacterial species in drinking water by combined cellular and molecular analyses. Microbial Ecology, no. 63, 383-397.

11. Douterelo I., Sharpe R., Boxall J. (2014). Bacterial community dynamics during the early stages of biofilm formation in a chlorinated experimental drinking water distribution system: implications for drinking water discolouration. Journal of Applied Microbiology, Vol. 117, issue 1, 286-301.

12. Vander Kooij D., J. vander Wielen P.W.J. (2014). Microbial Growth in Drinking-Water Supplies. Problems, Causes, Control and Research Needs. IWA Publishing, UK.

13. Lautenschlager K., Hwang C., Ling F., Liu W.-T., Boon N., Koster O., Egli T., Hammes F. (2014). Abundance and composition of indigenous bacterial communities in a multi-step biofiltration-based drinking water treatment plant. Water Research, no. 62, 40-52.

14. Liu G., Bakker G.L., Li S., Vreeburg J.H.G., Verberk J.Q.J.C., Medema G.J., Liu W.T., Van Dijk J.C. (2014). Pyrosequencing reveals bacterial communities in unchlorinated drinking water distribution system: an integral study of bulk water, suspended solids, loose deposits, and pipe wall biofilm. Environmental Science & Technology, no. 48 (10), 5467-5476.

Размещено на Allbest.ru