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WASSER/226: Monitoring für Trinkwasserhygiene (UFZ-Newsletter)


Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
UFZ-Newsletter Oktober 2016

Eine saubere Sache
Monitoring für Trinkwasserhygiene

Von Tom Leonhardt, Doris Wolst und Susanne Hufe


Es ist eine der größten Errungenschaften des letzten Jahrhunderts: Sauberes und hygienisch einwandfreies Trinkwasser - zumindest in den Industriestaaten. Allerdings setzen bereits heute überaltete Versorgungssysteme, Klimawandel und demografischer Wandel die Wasserwirtschaft unter Druck. Krankheitserreger können in unser Trinkwasser gelangen. Diese schneller und zuverlässiger als bisher nachzuweisen, war der Auftrag an das Team des UFZ-Projektes EDIT.


Monitoring für Trinkwasserhygiene

Trinkwasser gehört in Deutschland zu den am besten überwachten und sichersten Lebensmitteln. Dafür sorgen die Trinkwasserverordnung und die Versorgungsunternehmen der Wasserwirtschaft, die die Wasserqualität regelmäßig überprüfen müssen. Trotz dieser hohen Standards kommt es - wenn auch selten - immer wieder mal vor, dass Bakterien oder andere Krankheitserreger bei Routine-Untersuchungen gefunden werden. Die Gründe dafür können ganz unterschiedliche sein: Durch Starkregen oder extreme Hochwässer kann Schmutzwasser in die Versorgungssysteme gelangen. Hitzeperioden können die Qualität des Rohwassers beeinträchtigen, da sich gesundheitsrelevante Mikroorganismen bei höheren Wassertemperaturen besser vermehren. Wohnungsleerstand, temporär unterbelastete oder nur saisonal genutzte Versorgungssysteme können dazu führen, dass Teile des Systems verkeimen. Doch mit den bisher etablierten Verfahren dauert es bis zu mehreren Tagen, unerwünschte Krankheitskeime im Wasser nachzuweisen. Zu lange, um rechtzeitig zu warnen und mit Gegenmaßnahmen zu reagieren. An diesem Punkt setzt das Projekt EDIT an, das am UFZ in Magdeburg koordiniert wird. Ein Team von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern aus der Wasserforschung, Wasserversorgung und Systemtechnik hat ein Verfahren entwickelt, das hygienerelevante Bakterien und Viren schneller und zuverlässiger als herkömmliche Tests nachweisen kann.

EDIT

EDIT heißt ausgeschrieben "Entwicklung und Implementierung eines Anreicherungs- und Detektionssystems für das Inline-Monitoring von wasserbürtigen Pathogenen in Trink- und Rohwasser". Dr. Daniel Karthe, Geograf und Gewässerforscher am UFZ in Magdeburg, leitet das Projekt, das seit 2013 mit drei Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert wird. Es ist Teil der Fördermaßnahme INIS, mit der das BMBF "Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung (INIS)" schaffen will.

Daniel Karthe und seine Kollegen aus München, Freiburg, Karlsruhe, Darmstadt, Senftenberg und Ilmenau haben mit EDIT neue Geräte und Verfahren entwickelt, mit denen zukünftig kontinuierlich und zuverlässig die Trinkwasserhygiene überwacht und schneller als bisher Krankheitskeime erkannt werden können. Sie setzen auf molekularbiologische Methoden aus der Medizin.

Weitere Informationen: www.ufz.de/index.php?de=40108


Anfang Juli dieses Jahres warnten Behörden mehrerer Landkreise Mittelhessens und zwei Kommunen in Nordhessen vor "einer leichten Verunreinigung" des Trinkwassers durch Colibakterien. Die Keime wurden bei einer der regulären Untersuchungen gefunden. Da "die gesundheitlich unbedenkliche Qualität des Trinkwassers derzeit nicht gewährleistet werden kann", solle das Leitungswasser bis auf Weiteres nur in abgekochtem Zustand getrunken werden. Dann wurde das Leitungswasser mit Chlor desinfiziert. Aufgrund der großen Ausdehnung der Verunreinigung - ein 65 Kilometer großes und weit verzweigtes Versorgungsnetz war betroffen - dauerte es mehrere Tage, bis das gechlorte Wasser verteilt war. Nach drei Tagen Keimfreiheit konnte die Warnung aufgehoben werden. Als Ursache wurde vermutet, dass wegen des starken Regens in den Tagen zuvor mit dem Oberflächenwasser schädliche Keime in die Brunnen geraten sind. Möglicherweise gab es einzelne Darmerkrankungen. Mehr aber nicht.

Ähnlich ging es 2007 den etwa 500.000 Einwohnern der norwegischen Hauptstadt Oslo. Auch sie mussten tagelang jeden Tropfen Trinkwasser abkochen, um Durchfallerkrankungen und Übelkeit zu vermeiden. Hier hatte man in mehreren Wasserproben die einzelligen Parasiten Giardia intestinalis entdeckt.

Die US-amerikanische Großstadt Milwaukee in Wisconsin dagegen erlebte 1993 einen Alptraum. Der gefährliche Darmparasit Cryptosporidium parvum gelangte durch ein Leck im Filtersystem der Kläranlagen ins Trinkwassersystem. 400.000 Menschen kämpften tagelang mit Durchfall, Fieber und Bauchkrämpfen, 70 starben.

Auch wenn dieses Szenario nur sehr selten passiert: Es kommt vor - lokal und punktuell. Denn schon wenige Krankheitskeime im Trinkwasser können ausreichen, um beim Menschen eine Infektion auszulösen. Deshalb liegt laut Trinkwasserverordnung der Zielwert bei null koloniebildenden Einheiten (0 KBE) in 100 ml Trinkwasser. Mögliche Keime überhaupt zu finden, ist nicht einfach.

Der klassische Nachweis - Kultivierung

Der klassische Weg, Krankheitserreger im Wasser nachzuweisen, ist die Kultivierung. Die Prozedur ist aufwendig: An bestimmten Stellen werden Wasserproben entnommen. Diese werden dann im Labor auf verschiedene Nährmedien in Petrischalen aufgetragen und in einen Inkubator gestellt. Dann heißt es warten. Es vergehen mindestens 18 Stunden, bis sich eine sichtbare Erregerkultur entwickelt hat. Viel Zeit, in der viel Trinkwasser durch die Leitungen fließt. Zu viel Zeit, um rechtzeitig angemessen zu reagieren, die Bevölkerung zu informieren und Abhilfemaßnahmen einzuleiten.

Ein weiterer Unsicherheitsfaktor kommt dazu: Je nach Größe eines Wasserbetriebs ist nur eine gewisse Anzahl an mikrobiologischen Routine-Untersuchungen im Jahr vorgeschrieben. Werden in einem Gebiet etwa täglich bis zu 1.000 Kubikmeter Trinkwasser - genug für mehr als 8.000 Menschen - produziert, muss der Wasserversorger jährlich vier Routine-Untersuchungen durchführen. Dabei wird aber nur auf drei Indikator-Bakterien - das bereits erwähnte Escherichia coli, Enterococcus faecalis und Pseudomonas aeruginosa - geprüft. Ob sich in der Probe noch andere Bakterien, Viren oder auch Protozoen befinden, bleibt somit offen. "In der Regel sagt man, dass diese Tests ausreichen, um eine mikrobiologische Kontamination des Wassers nachzuweisen oder auszuschließen", sagt Dr. Daniel Karthe, der das Projekt EDIT am UFZ koordiniert. "Wenn sich aber andere Erreger als die Indikatororganismen im Wasser befinden, werden sie durch die Routine-Tests nicht erkannt. Insofern wiegen wir uns da in einer falschen Sicherheit." Negative bakteriologische Befunde sind also keine Nachweise für Virenfreiheit. Und Untersuchungen auf pathogene Viren finden in Deutschland so gut wie nicht statt.

Der neue Ansatz - Hygiene-Online-Monitoring

Für ihren neuen Ansatz, Bakterien und Viren im Trinkwasser zu überwachen, benötigen die Wissenschaftler im Normalfall zunächst etwa einen Kubikmeter Wasser, also 1.000 Liter. Es bedarf dieser großen Wassermengen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Denn: Schon wenige pathogene Mikroorganismen oder Viren im Wasser können gesundheitsgefährdend sein.

Schritt 1: Die 1.000 Liter Wasser werden von einer CUF-Einheit - einer Cross-Flow-Ultrafiltration - auf 20 Liter konzentriert. "Das kann man sich wie einen Filter vorstellen, durch den das Wasser durchfließt. Nur dass wir am Ende nicht das Filtrat, also das gefilterte Wasser, untersuchen wollen, sondern die Rückstände am Filter", erklärt Karthe. Schließlich wollen die Forscher mögliche Bakterien, Keime oder Viren nachweisen. Mit weiteren Filtrationsverfahren wird das Wasser immer weiter konzentriert. Bis zu einem Volumen von einem Milliliter dauert es 90 bis 105 Minuten - je nachdem, ob es sich um Trink- oder Rohwasser handelt.

Schritt 2: Da selbst ein Milliliter für die später eingesetzte molekularbiologische Nachweismethode noch viel zu viel ist, reduzieren die Forscher das Volumen nun bis auf etwa fünf Mikroliter und extrahieren die Nukleinsäuren der Pathogene aus dem Probenkonzentrat. "Unser Ziel ist, dass wir die Konzentration der potenziell vorhandenen Pathogene im Wasser um einen Faktor von bis zu einer Millionen erhöhen", so Karthe.

Schritt 3: Bevor die mittlerweile nur noch wenige Mikroliter umfassende Flüssigkeit auf verschiedene Bakterien und Viren überprüft werden kann, ist ein weiterer Schritt notwendig: "Wir müssen unterscheiden, ob die möglichen Erreger im Wasser tot oder lebendig sind", erklärt Daniel Karthe. "Wenn die Erreger bereits tot sind - etwa durch Erhitzen, Chloren UV-Sterilisierung bei der regulären Trinkwasseraufbereitung -, ist ein Nachweis überflüssig." Um die lebendigen von den toten Erregern zu unterscheiden, wird der konzentrierten Flüssigkeit der Farbstoff Propidium Monoazid (PMA) zugegeben. Da sich der rote Farbstoff nur an den Nukleinsäuren beschädigter Zellen anlagert, können tote Zellen so sichtbar gemacht und für die nächsten Untersuchungsschritte aussortiert werden.

Schritt 4: Jetzt beginnt der eigentliche Nachweis einer eventuellen mikrobiologischen Verunreinigung. Zunächst werden die DNA- oder RNA-Stränge der lebenden Zellen in der Probe durch eine Polymerase-Kettenreaktion oder isotherme DNA-Amplifikation vervielfältigt. Danach werden die verschiedenen Bakterien und Viren auf einer Mikroarray-Analyseplattform simultan und schnell identifiziert.

Die Schritte 2, 3 und 4 - von der finalen Aufbereitung der Proben, über die Lebend-Tot-Unterscheidung bis hin zum Nachweis der Erreger - finden im "Lab-on-Chip"-System sowie der Analyseplattform "MCR 3" statt. Diese beiden kompakten Geräte kön­nen auf kleinem Raum die wesentlichen Aufgaben eines wasserhygienischen Labors übernehmen.

Die Wasserhygiene online überwachen

Stößt das EDIT-System auf problematische Erreger, erstellt es eine automatische Warnung, die beispielsweise via SMS an den zuständigen Wassermeister verschickt werden kann. Auch eine App für Smartphone und Tablet wurde im Projekt entwickelt.

Alle Parameter, die während der Untersuchung erhoben werden, lassen sich direkt in ein Online-Portal einspeisen, mit dem Wasserversorger einen Überblick über die Qualität ihres Trinkwassers erhalten. Dazu haben EDIT-Teamkollegen des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung in Ilmenau ein Ampelsystem entwickelt, mit dem die Betreiber schnell sehen können, ob alles in Ordnung ist: Ein grünes Signal bedeutet, dass keine Erreger nachgewiesen werden konnten. Rot bedeutet, es gibt einen positiven mikrobiologischen Befund. Ein gelbes Signal zeigt eine Störung oder unplausible Ergebnisse im System an. "Wenn etwa eine Pumpe nicht richtig funktioniert, zu viel oder zu wenig Wasser an der Anlage ankommt, kann es zu falschen positiven oder negativen Befunden kommen", so Karthe.

Das EDIT-System prüft dabei nicht nur auf die drei in der Trinkwasserverordnung vorgeschriebenen Erreger, sondern zusätzlich auf drei weitere Bakterien, drei Virengattungen und zwei Bakteriophagen. Letztere werden dem Wasser absichtlich hinzugefügt. "Die Phagen sind nicht krankheitserregend für den Menschen, sie dienen lediglich als Kontrollorganismus für unser System", erklärt Karthe.

Der gesamte Vorgang - von der ersten Ankonzentration bis zu den Ergebnissen - dauert knapp fünf Stunden. Zur Erinnerung: Die klassischen Kultivierungs-Verfahren benötigen mindestens 18 Stunden; in einigen Fällen dauert es sogar mehrere Tage, bis ein Erreger nachgewiesen werden kann. EDIT hat einen weiteren Vorteil: Für das neue Verfahren ist kein großes Labor notwendig. Die gesamte Anlage nimmt nur wenig Platz in Anspruch. Die erste Filtrations-Stufe, die Cross Flow Ultrafiltration (CUF), ist mit zwei Kubikmetern und etwa 180 Kilogramm der größte und schwerste Teil der Anlage. "Wir können die Untersuchungen in einigen Fällen auch ohne die CUF durchführen.

Weil unser System bereits in Teilen mobil einsetzbar ist, verkürzt sich die Analysezeit noch einmal um eine Stunde", erläutert Karthe. Ein komplett mobiles System ist aber derzeit noch nicht realisierbar.

Mit EDIT wäre zudem auch ein kontinuierliches Monitoring möglich. Theoretisch könnte man das Wasser jede Stunde untersuchen. Allerdings, gibt Karthe zu bedenken, werden dafür immer 1.000 Liter Wasser benötigt. Eine Menge, die für Wasserwerke durchaus finanzielle Dimensionen hätte.

Bis zur Marktreife ist es noch ein weites Stück

Nach drei Jahren Projektarbeit kann das Forscherteam erste Funktionsmuster und Machbarkeitsanalysen vorweisen: Die ersten Filtrations- und Analyseanlagen laufen bei Wasserversorgern in Berlin, Magdeburg und Marburg im Test-Betrieb. "Bis wir tatsächlich ein komplett marktreifes Produkt haben, kann es aber noch mehrere Jahre dauern", sagt Daniel Karthe. So müssten zum Beispiel die Trinkwasserverordnung angepasst und das EDIT-Verfahren als Alternative für die Kultivierungs-Tests zugelassen werden. Dafür wären noch zahlreiche Labor- und Praxistests bei großen und kleinen Wasserversorgern notwendig.

In diesem Jahr will das Projektteam um Daniel Karthe das EDIT-System noch einmal unter realen Bedingungen überprüfen. Wichtigster Praxispartner dabei sind die Berliner Wasserbetriebe, die über eine Teststrecke aus Wasserleitungen verfügen, die zuvor im normalen Wassernetz im Einsatz waren. Hier können die Forscher das Wasser gezielt mit Bakterien oder Viren versetzen und ihr System unter nahezu realen Bedingungen testen.

Durch die genaueren Detektionsmöglichkeiten ergeben sich aber auch neue Fragestellungen: Was sagen die neuen Werte den Wasserversorgern genau und welche Folgen haben sie? Bisher gilt: Lässt sich in 100 Millilitern Wasser ein Indikatorbakterium finden, ist der Befund problematisch. Aber was ist, wenn in 1.000 Litern ein Erreger gefunden wird? Für solche Fälle müssten Festlegungen getroffen werden, die auf ein sinnvolles Kosten-Nutzen-Verhältnis für die Betreiber und die Bürger abzielen. Denn: Je mehr Untersuchungen gemacht und je mehr Befunde erstellt werden, desto teurer könnte auch das Wasser werden.

Fereshte Sedehizade ist Ingenieurin im Bereich Wasserversorgung der Berliner Wasserbetriebe und seitens dieses Praxispartners eng ins Projekt EDIT eingebunden: "Wir brauchen dringend solche Detektionssysteme, mit denen wir schneller als bislang Kontaminationen erkennen können. Das ist die Basis für uns, um die Ausbreitung von Krankheitserregern oder anderen Schadstoffen berechnen und effektive Gegenmaßnahmen einleiten zu können."

EDIT als Teil eines modernen Wasserüberwachungssystems

Auch wenn das EDIT-Hygienemonitoring gegenüber der heutigen Überwachung bereits deutliche Vorteile hat, wünscht sich Fereshte Sedehizade mehr. Sie sieht den EDIT-Ansatz als Baustein eines modernen und automatisierten Systems für ein umfassendes chemisches und biologisches Wassermonitoring und Krisenmanagement. Denn in der Praxis spielen auch chemische Belastungen des Wassers, etwa durch Nitrat (durch biogen abgebaute Stickstoffverbindungen aus Landwirtschaft und Haushalten) oder Kupfer (durch Trinkwasserinstallationen), eine wichtige Rolle.

Für das Berliner Trinkwassernetz mit rund 8.000 Kilometern könnte das Monitoring zum Beispiel ein Netzwerk aus kleinen, dezentral verteilten Sensoren übernehmen, mit dem sich die Qualität des Trinkwassers automatisch und kontinuierlich an vielen verschiedenen Stellen des Wassernetzes überwachen lässt. Dafür wären mehrere Hundert Sensoren notwendig. Komplette EDIT-Filteranlagen und Nachweisverfahren wären dafür derzeit deutlich zu groß und zu teuer. Derzeit.

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TRINKWASSER - UNSER WICHTIGSTES LEBENSMITTEL

Als Trinkwasser wird das Wasser definiert, das zum Trinken, Kochen, zur Zubereitung von Speisen und Getränken, für die Körperpflege, zum Reinigen von Geschirr oder Kleidung bestimmt ist. Die Trinkwassergüte wird in Deutschland in der DIN 2000 und in der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) festgelegt. Trinkwasser darf keine krankheitserregenden Keime enthalten. Es soll eine Mindestkonzentration an gelösten Mineralstoffen - die Kationen Kalzium, Magnesium, Natrium und die Anionen Carbonat, Hydrogencarbonat, Chlorid und Sulfat - enthalten. Hygienisch einwandfreies Trinkwasser ist zudem farb- und geruchlos, geschmacklich neutral und kühl. Ist mit pathogenen Bakterien oder Viren zu rechnen, muss desinfiziert werden. Das passiert zum Beispiel durch Ultrafiltration oder Ozonisierung. Durch anschließende Chlorung wird eine Wiederverkeimung im Versorgungsnetz verhindert.

In Deutschland, Österreich, der Schweiz, Frankreich und den Niederlanden ist Trinkwasser das am besten kontrollierte Lebensmittel. Die Qualitätsanforderungen sind höher als für industriell abgefülltes Mineral- oder Tafelwasser. Es kann deshalb uneingeschränkt verzehrt werden.

Der Trinkwasserverbrauch liegt in Deutschland bei etwa 120 Litern pro Kopf und Tag. Ein US-Bürger verbraucht täglich 250 Liter. Die Einwohner der Wüstenstadt Dubai sind Spitzenreiter mit etwa 500 Liter pro Kopf und Tag. Einem Inder oder Afrikaner stehen weniger als 30 Liter Trinkwasser pro Tag zur Verfügung.

Nach Schätzungen der UN sterben jährlich bis zu fünf Millionen Menschen durch verunreinigtes Wasser - zum Beispiel an bakteriellen Infektionskrankheiten wie Cholera, Ruhr und Typhus oder an Erkrankungen, die durch Viren oder toxische Substanzen hervorgerufen werden. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch (aber auch toxikologisch) unbedenklichem Wasser und der Zugang zu geeigneten Sanitärsystemen ist eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten und eines der ehrgeizigen Milleniumsziele der Vereinten Nationen.


UFZ-Ansprechpartner:
Dr. Daniel Karthe
Dept. Fließgewässerökologie und Aquatische Systemanalyse
e-mail: daniel.karthe[at]ufz.de


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 2 (Foto):
Dr. Daniel Karthe, Koordinator des Projektes EDIT, hier am Munich Microorganism Concentrator (MMC3). Dieses und andere Verfahren, mit denen Bakterien und Viren in Trink- oder Rohwasser aufkonzentriert werden können, wurden gemeinsam mit dem Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie der TU München und der GWK Präzisionstechnik GmbH entwickelt.

Abb. S. 3 (Deutschlandkarte):
Gemeldete Ereignisse mikrobiologischer Kontamination bei größeren Trinkwasserversorgern im Jahr 2010

Berücksichtigt sind Wasserversorger, die mehr als 5000 Einwohner beliefern oder mehr als 1000 m³ pro Tag für den menschlichen Gebrauch liefern. Durch kleinere Versorger bediente Gebiete sind weiß dargestellt, da sie statistisch nicht erfasst wurden.

Abb. S. 4 oben (Diagramm):
Workflow des Hygiene-Online-Monitorings. Es bietet die Möglichkeit, Trink- und Rohwasser kontinuierlich zu überwachen und Krankheitserreger in nur fünf Stunden zu erkennen.

Abb. S. 4 unten (Foto):
"Lab-on-Chip"-Gesamtsystem zur Mikrokonzentrierung und Extraktion der Erreger aus dem Probenkonzentrat (Schritte 2 und 3 im Workflow). Der Chip (siehe Pfeil), etwa so groß wie eine Euromünze, bildet das Herzstück der Einheit.

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Quelle:
UFZ-Newsletter Oktober 2016, Seite 1 - 5
Herausgeber:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Permoserstraße 15, 04318 Leipzig
Tel.: 0341/235-1269, Fax: 0341/235-450819
E-mail: info@ufz.de
Internet: www.ufz.de


veröffentlicht im Schattenblick zum 21. Dezember 2016

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