Pathogene Mikroorganismen im Grund- und Trinkwasser: Transport — Nachweismethoden — Wassermanagement PDF
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Pathogene Mikroorganismen im Grund- und Trinkwasser Transport - Nachweismethoden - Wassermanagement Adrian Auekenthaler Peter Huggenberger (Hrsg.) Springer Basel AG Herausgeber Adrian Auckenthaler PD Dr. Peter Huggenberger Kantonales Laboratorium BL Angewandte und Umweltgeologie Trinkwasserinspektorat Departement Erdwissenschaften der Liestal, Schweiz Universităt Basel, Schweiz Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiogralie; detaillierte bibliogralische Daten sind im Internet uber http://dnb.ddb.de abrulbar. ISBN 978-3-7643-6950-7 ISBN 978-3-0348-8009-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-8009-1 Das Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung, der Wiedergabe aui pho tomechanischem oder ăhnlichem Weg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen biei ben, auch bei nur aus zugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Verviellăltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzellall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulăssig. Sie ist grundsătzlich vergutungspllichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stralbedingungen des Urheberrechts. © 2003 Springer Basel AG Ursprunglich erschienen bei Birkhauser Verlag 2003 Computer-to-plate Vorlage durch die Herausgeber erstellt Gedruckt aui săurelreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff TCF 00 Umschlaggestaltung: Micha Lotrovsky, CH-41 06 Therwil, Schweiz Bildmotiv E. coli: Tamara Fretz, Universităt Basel, Zentrum fUr Mikroskopie 2MB Bio-Pharmazentrum ISBN 978-3-7643-6950-7 987654321 wvvvv.birkhasuer-science.com Inhaltsverzeichnis Vorwort Editoren / Autoren 1 Einieitung .................................................................................................................. . 2 Pathogene Mikroorganismen im Trinkwasser .... ..... ........ .... .... .... ... ..... ..... ... .... ..... 5 Einleitung ..... .... ... ..... ...... ... ....... .... ............ ........ ...... ...... ........ .... ..... ... ..... ... .... ... ......... ....... 5 Bakterien . ........ ......... ... ........ ........ .... .... ........ ........ ......... ...... ..... ... ......... ........ ... ... ...... ........ 7 Indikatorkeime ............................................................................................................. 10 Bekannte pathogene Bakterien ................. ............ ..... ... .... .... ... ..... ..... ... ......... ... ........... 13 Neu erkannte pathogene Bakterien ............................................................................ 18 Biofilme und Filterverkeimung ................................................................................... 20 Viren ................................................................................................................................. 22 Erkrankung des Verdauungstraktes ............................................................................ 24 Erkrankungen des Zentralnervensystems .... ... ...... ........ ...... ... ... ..... ........ ....... ...... ... ..... 26 Infektiose Leberentziindungen (Hepatitis) ................................................................. 28 Protozoen ....... ... ... ............ ..... ..... ... ............ ... .... ........ ..... ... ....... ..... ... ............. .... ...... ....... ... 30 Bekannte pathogene Protozoen ..... .... .... ..... ... ...... ...... ... ....... ...... ........ ..... ... ....... ... ........ 30 Mogliche zukiinftige pathogene Protozoen ....... ..... ......... .... ... ..... ..... ... ................ .... ... 34 Schlussfolgerungen ... ........ ... ... ........ ... ..... ... ... .... ... ..... ... ... .... ..... ... ........ ........ .... .... ...... ....... 36 3 Nachweismethoden fUr pathogene Mikroorganismen ........................................... 39 Einleitung ......................................................................................................................... 39 Nachweis von pathogenen Bakterien und Indikatorkeimen ............................................ 40 Indikatorkeime ............................................................................................................ 40 Direkter Nachweis pathogener Bakterien .. ... ..... ... ...... ...... ..... .......... ...... ... ... ... ...... ...... 44 Nachweis von Viren im Wasser ...................................................................................... 45 Zellkulturen ..... ......... ... .... .... .... .......... ... ... ...... ...... ..... ... .... ... ..... ... ..... .... .... .... ... ... ...... .... 46 Molekulare Nachweismethoden .................................................................................. 46 Nachweis pathogener Protozoen ...................................................................................... 49 Cryptosporidium spp. ......... ... ..... ........ ........ .... ..... ................ ........ ........... ..... ...... ... ... .... 49 Giardia spp. ..... ..... ... ....... ..... ..... ... ..... .... ........ ... ........ ......... ... .... ........ ........ ..... ... .... ........ 50 Weitere pathogene Protozoen ..................................................................................... 52 Schlussfolgerungen und Ausblick ................................................................................... 52 4 Transport von Mikroorganismen ............................................................................ 55 Einleitung ......................................................................................................................... 55 Prozesse des Transports von Mikroorganismen ............................................................. 59 Transport von Mikroorganismen in Karst-und heterogenen Kluftsystemen ........................................................................................ 59 Transport von Mikroorganismen in Lockergesteins- Grundwasserleitem ... ...... ........ .......... ........ ...... ......... ..... ... ... ........ ........ .... ..... ..... ... ... .... 61 Modell des Transports von Mikroorganismen zwischen Oberflachengewassem und Grundwasserfassungen .. ... ......... ... ..... ... ..... ... ...................... 66 Konzentration der Mikroorganismen im Flusswasser ... ... ... ... ..... ..... ... ...... ...... ........... 66 Filterwirkung von Flusssohle und Vorl and ................................................................. 67 Hydraulische Randbedingungen ................................................................................. 70 Filterwirkung des heterogenen Grundwasserleiters .. ... ...... ................ ... ... ...... ....... ...... 71 Schlussfolgerung und Empfehlungen ............................................................................. 76 5 Partikeltracer ...... ... ........ ...... ...... .......... .............. ........ .... ............. ... ........ .... ........ .... ... 79 Einleitung ....... ... .... ............... ... ........ .... ..... ... ..... ........ ......... ... ... ...... ... ..... ... ... ..... ...... ... ...... 79 Partikeltransport . ................. ... .... .... ........ ... .... ..... ..... ... .... ........ ..... ... ...... ... ........ ........... .... 82 Arten von Partikeltracem ....... ... ..................... ... ... ............ .... ..... ... ......... ....... .... .... ...... ..... 84 Bakterien . ........ ........ .... ..... ........ ... ......... ........ ... ......... ..... ... ... ........ ....... ..... ..... ... ......... ... 84 Bakteriophagen ..... ..... ... ......... ..... ... ..... ... ... ...... ... ... ........ ............ ..... ... ......... ... ..... ......... 86 Fluoreszierende Mikrospharen ................................................................................... 87 Weitere partikulare Tracer .......................................................................................... 89 Tracerversuche mit Partikeln .......................... ... ........ ..... ... ...... ... ..... ... ... ......... ... ..... ... ...... 90 Schlussfolgerungen .......................................................................................................... 93 6 Trinkwasserautbereitung ......................................................................................... 95 Einleitung ........................................................................................................................ 95 Wirkung von Desinfektionsmitteln ..... ........ ...... ... ..... ...... ..... ... ........ ............ ..... ............ ... 97 Desinfektionsmittelreaktion ......... .... .......... ........... ... .... ........ ...... ... ... ........ ...... ...... ... .... 97 Physiologischer Status ................................................................................................ 98 Reaktortyp ................................................................................................................... 98 Ozonungsverfahren ......................................................................................................... 101 Reaktion von Ozon mit Molekiilen und Mikroorganismen ....................................... 103 Koagulationseffekte von Ozon .................................................................................. 104 Nebenprodukte bei der Ozonung ............................................................................... 106 Chlorungsverfahren ......................................................................................................... 107 Reaktionen von Chlor ................................................................................................ 108 Nebenprodukte der Chlorung .................................................................................... 109 Reaktionen von Chlordioxid ...................................................................................... 109 Nebenprodukte von Chlordioxid ............................................................................... 110 UV-Strahlung .................................................................................................................. 110 Bildung von Nebenprodukten .................................................................................... 114 Filtration ......................................................................................................................... 114 Langsam-Sandfiltration ............................................................................................. 114 Schnell-Sandfiltration mit Flockung/Sedimentation ................................................. 117 Membranfiltration ..................................................................................................... 120 Uberwachung von Aufbereitungsverfahren ................................................................... 122 Kosten der Trinkwasseraufbereitung ............................................................................. 127 Schlussfolgerungen ........................................................................................................ 129 7 Schutz von Wasserfassungen ................................................................................. 131 Einleitung ....................................................................................................................... 131 Karstgrundwasserleiter ................................................................................................... 134 Grundwassergefahrdung infolge Fluss-Grundwasser Interaktionen ................................................................................................................... 140 Schlussfolgerungen ......................................................................................................... 141 8 Schlussfolgerungen und Empfehlungen ................................................................ 143 Referenzen ..................................................................................................................... 147 Glossar ........................................................................................................................... 169 Index .............................................................................................................................. 177 Vorwort Routinekontrollen des Trinkwassers zeigen zeitweise mikrobiologische Belastungen mit fakalen Indikatorkeimen. Die Bedeutung dieser positiven Befunde im Grund- und Trink wasser ist noch weitgehend unklar, da die Herkunft und der Transport der Mikroorganismen meist unbekannt sind und grossere Krankheitsausbrtiche in der Schweiz und in Deutschland nur selten auftreten oder nicht erkannt werden. In Studien mit neuen Analyseverfahren in der Mikrobiologie konnten jedoch neben den Indikatorkeimen auch pathogene Mikroorganismen wie Cryptosporidien und Viren festgestellt werden. Es ist deshalb davon auszugehen, dass das Vorhandensein von fakalen Indikatorkeimen eine gesundheitliche Gefahrdung bedeuten kann. Die Autoren des Buches, ein Umweltnatur- und ein Erdwissenschaftler sowie zwei Mikro biologen forschen in den Bereichen Grund- und Trinkwasser. Sie haben zudem in verschie denen praxisbezogenen Projekten fUr kantonale Fachstellen oder Gemeinden spezifische Grundlagen fUr den Grund- und Trinkwasserschutz erarbeitet. Es zeigt sich dabei, dass vertiefte Kenntnisse der jeweiligen Prozesse und der lokalen hydrogeologische Gegeben heiten die Grundvoraussetzung fUr einen wirkungsvollen Gewasserschutz und eine sichere Trinkwassergewinnung ist. Das vorliegende Buch ist eine umfassende Zusammenstellung der Literatur zum Transport, zum analytischen Nachweis und zur epidemiologischen Bedeutung von pathogenen Mikro organismen im Grund- und Trinkwasser. Es zeigt den aktuellen Kenntnisstand der For schung auf diesem interdisziplinaren Gebiet. Beispiele von neueren Feldversuchen sollen die Theorie illustrieren. Neben der rein naturwissenschaftlichen Sicht des Partikeltransportes im Untergrund wird dem Aspekt der Nutzung der Ressource Grundwasser fUr die Trinkwasser gewinnung ein besonderer Stellenwert eingeraumt und die Probleme der Wasserversorger angesprochen. Mogliche Losungsstrategien auf lokaler und regionaler Ebene werden diskutiert und konkrete Losungsansatze fUr Wasserversorger aufgezeigt. Eine effektive und nachbaltige Sicherung der Trinkwasserqualitat verlangt je nach Gefahrdungssituation kurz-, mittel- und langfristige Strategien. Diese setzen unter anderem das Erkennen von bisher wenig beachteten, bei Niederschlagsereignissen und Hochwassem auftretenden Belastungs spitzen voraus. Wir mochten allen danken, die zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben. Unser besonderer Dank gilt Prof. Dr. Hauke Harms und Dr. Antonis Chatzinotas fUr die Verfassung des Kapitels "Nachweismethoden von Mikroorganismen". Dr. Daniel Hartmann und Dr. Benjamin Meylan yom Bundesamt fUr Umwelt, Wald und Landschaft sei fUr die fachliche Begleitung und die finanzielle Unterstiitzung bestens gedankt. Filr die kritische Durchsicht, Anderungsvorschlage und Anregungen danken wir Dr. Tom Bosma, Dr. Urs von Gunten, Dr. Mario Snozzi, Dr. Paul Svoboda, Rainer Fretz und Christian Regli. Filr sprachliche und stilistische Korrekturen danken wir Jutta Rothlisberger und fUr die grosse Hilfe bei der Gestaltung der Figuren und die Formatierung des Textes Andrea Voegelin. Den Mitarbeitem des Birkhauser Verlages, insbesondere Dr. Detlef Klilber, danken wir fUr die gute Zusam menarbeit. Mit diesem Buch mi:ichten wir nicht nur Fachwissen vermitteln, sondem auch Anregungen fur die Umsetzung der dargelegten Ideen und Konzepte geben und damit zu einer steten Verbesserung der Trinkwasserqualitlit beitragen. Basel, Oktober 2002 Adrian Auckenthaler und Peter Huggenberger Editoren Adrian Auckenthaler hat 1995 sein Studium in Umweltnaturwissenschaften an der Eidge nossischen Technischen Hochschule in ZUrich (ETHZ) abgeschlossen. 1m selben Jahr Ubernahm er die Leitung des Trinkwasserinspektorates des Kantonalen Laboratoriums Basel Landschaft. Eine seiner Hauptaufgaben ist die Umsetzung neuer Erkenntnisse zum Schutz von Trinkwasser. Seit rund vier Jahren arbeitet er im Rahmen eines Projekts zum Partikel transport im Karst zusammen mit dem Geologischen Institut der Universitat Basel und dem Schweizerischen Tropeninstitut. Die neusten Ergebnisse und Erkenntnisse aus diesem Projekt sind in das Buch mit eingeflossen. Peter Huggenberger studierte Erdwissenschaften an der UNIIETH ZUrich und promovierte 1985 im Bereich Strukturgeologie. Nach langeren Forschungstatigkeiten an der Eidgenossi schen Anstalt fur Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewasserschutz (EA WAG) und an der Universitat Genf wurde er 1997 als Leiter der Forschungsgruppe Angewandte und Umweltgeologie sowie als Kantonsgeologe von Basel-Stadt an die Universitat Basel berufen. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Hydrogeologie komplex aufgebauter regio nale Grundwassersysteme, der Transport von Schadstoffen und Mikroorganismen in hetero genen Grundwasserleitern sowie die Fluss-Grundwasserinteraktionen. Neben der reinen Forschungstatigkeit ist er auch an der Durchfuhrung von praxisbezogenen Projekten wie beispielsweise dem Grundwassermanagement von Grossbaustellen beteiligt. Autoren Adrian Auckenthaler PD Dr. Peter Huggenberger Kantonales Laboratorium BL, Angewandte und UmweItgeologie Trinkwasserinspektorat, Departement Erdwissenschaften der Liestal, Schweiz Universitat Basel, Schweiz [email protected] [email protected] Prof. Dr. Hauke Harms Dr. Antonis Chatzinotas ENAC-ISTE-LPE ENAC-ISTE-LPE Biitiment GR Biitiment GR Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Schweiz (EPFL), Lausanne, Schweiz [email protected] [email protected] 1 Einleitung Adrian Auckenthaler und Peter Huggenberger Trinkwasser ist ein Naturprodukt und wird aus Poren-, Kluft- oder Karstgrundwasserleitern, Oberfllichengewlissern oder aus Uferfiltrat gewonnen. In all diesen Wlissern kommen natiir licherweise Mikroorganismen vor. Kritisch wird es dann, wenn pathogene Keime ins Trink wasser gelangen oder wenn sie in grosser Anzahl im Rohwasser (Wasser vor der Aufbe reitung zu Trinkwasser) auftreten. Die mikrobiologische Belastung von Grundwasser in Flussnlihe oder von Karstquellen kann grossen zeitlichen Schwankungen unterliegen, da der Transport der Mikroorganismen in diesen Systemen von Hochwlissern und Nieder schlagsereignissen beeinflusst ist. Fur die Wasserversorgungen stell en die mikrobiologischen Qualitlitsschwankungen in der Rohwasserqualitlit deshalb eines der Hauptprobleme dar. Die Beurteilung der mikrobiologischen Trinkwasserqualitlit basiert auf Indikatorkeimen, deren Herkunft menschliche oder tierische Flikalien sind. Die Nachweismethoden fUr diese Keime gehen auf Analyseprinzipien zurUck, die vor mnd 100 lahren entwickelt wurden. Das Konzept der Indikatorkeime hat viele Vorteile, wie z.B. der einfache und zuverlassige Nachweis, ist letztlich aber fUr eine "end of pipe" Kontrolle des Trinkwassers ungeeignet. Denn bei der Aufbereitung von Trinkwasser werden Mikroorganismen selektiv abgetOtet, allen voran die fakalen Indikatorkeime E. coli. So kommt es, dass Trinkwasser, das frei von Indikatorkeimen ist, trotzdem pathogene Mikroorganismen enthiilt, wie der bisher grosste Ausbmch einer Cryptosporidienepidemie in Milwaukee, USA 1994 mit 400'000 Erkrankten gezeigt hat (MacKenzie et ai., 1994; Karansis et ai., 1996). In den USA und England sind seit 1984 dank gutem Uberwachungs- und Meldesystem mehrere wasserbedingte Crypto sporidienausbriiche dokumentiert. Auch in der Schweiz und in Deutschland sind in den letzten lahren wasserbedingte Erkrankungsfalle durch Giardia und Norwalk-like Viren (NL V) aufgetreten (Hlifliger et ai., 2000; Maurer und Stiirchler, 2000; Gornik et ai., 2000). Protozoen und Viren werden weltweit im Gmnd- und teilweise im Trinkwasser gefunden (Metzler et ai., 1996; Svoboda et ai., 1999). Die Infektionsdosis dieser Pathogene ist sehr gering. Bei Cryptosporidien muss bereits ab einer Konzentration von 10 bis 30 Oozysten pro 100 L mit einem Epidemieausbruch gerechnet werden. Bei Rotaviren genugte bereits ein Viruspartikel, urn 27% gesunder Erwachsener zu infizieren (Gale, 1996; Haas und Rose, 1996). Aufgrund dieser sehr geringen Infektionsdosis und den festgestellten Epidemien sind
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