Groei van micro-organismen op waterleidingmaterialen

IK3 76-79
28-02-2005
14:37
Pagina 76
Realisatie EAS vraagt om duidelijkheid over te hanteren beoordelingscriteria
Groei van micro-organismen
op waterleidingmaterialen
Op grond van de resultaten van internationaal onderzoek is geconcludeerd dat de in Nederland ontwikkelde
biomassaproductiepotentie-test (BPP-test) geschikt is
als basis voor een in
CEN-verband
te standaardiseren
testmethode. Op welke grondslagen worden de beoordelingscriteria voor de bacteriegroeibevorderende
eigenschappen van leidingmaterialen geformuleerd?
Techniek
Tekst: Dick van der Kooij, Kiwa
Water Research, Nieuwegein
I
n Nederland worden hoge eisen
gesteld aan de (microbiologische)
kwaliteit van het drinkwater. Bovendien heeft distributie van het
drinkwater in de meeste voorzieningsgebieden plaats zonder een
restgehalte van een desinfectiemiddel. Verontreiniging van het drinkwater met ziekteverwekkende microorganismen wordt voorkomen door
preventieve maatregelen zoals handhaving van overdruk en verhinderen
van terugheveling, onder meer door
toepassing van terugslagkleppen.
Vermeerdering van micro-organismen in het distributiesysteem (nagroei) wordt beperkt door zoveel
mogelijk afbreekbare stoffen uit het
water te verwijderen bij de zuivering
en leidingmaterialen toe te passen
die (vrijwel) geen afbreekbare stoffen
afgeven. Kort gezegd: distributie van
biologisch stabiel drinkwater in een
distributiesysteem van biologisch
stabiele materialen. In tabel 1 staan
de criteria voor micro-organismen
die zich onder bepaalde omstandigheden kunnen vermeerderen in het
drinkwater bij transport en distributie. De ziekteverwekkende micro-organismen van fecale herkomst kunnen zich niet vermeerderen en blijven hier buiten beschouwing.
In de praktijk worden vaker over76 maart 2005 intech K&S
schrijdingen van het aantal Aeromonas-bacteriën waargenomen dan van
de bacteriën van de coligroep, ondanks het grote verschil (1000 x)
tussen de kwaliteitscriteria. De oorzaak hiervan is dat Aeromonas-bacteriën zich sneller vermeerderen bij
lage concentraties aan afbreekbare
verbindingen dan bacteriën van de
coligroep. Overschrijdingen van de
kwaliteitseis voor KG22 worden relatief weinig waargenomen, omdat hoge waarden kunnen worden gecompenseerd door lage waarden als gevolg van het hanteren van het geometrische jaargemiddelde. Hier
staat tegenover dat ook incidentele,
lokale overschrijdingen van KG22
door het waterbedrijf als ongewenst
worden beschouwd. Aan legionella
worden strenge eisen gesteld, omdat
dit organisme de veroorzaker is van
de veteranenziekte, een ernstige
organisme
kwaliteitseis
bacteriën van de
coligroep
< 1 kve*/100 ml
Aeromonas
< 1000 kve/100 ml
koloniegetal 22˚C (KG22) < 100 kve/ml **
legionella
< 100 kve/L#
* kve, kolonievormende eenheden
** geometrisch jaargemiddelde
# Besluit tot wijziging van het Waterleidingbesluit, 2004
Tabel 1. Wettelijke kwaliteitseisen voor
micro-organismen die zich kunnen vermeerderen in drinkwater bij transport
en distributie (Gewijzigd Waterleidingbesluit, 2001).
vorm van longontsteking. Bij temperaturen die gewoonlijk heersen in het
leidingnet (<20 ºC) kan dit organisme
zich echter vrijwel niet vermeerderen. In leidinginstallaties in gebouwen kan groei optreden bij temperaturen boven 25ºC. Legionella groeit
in slijmlaagjes (‘biofilm’) op de leidingwand.
Biologische stabiliteit is lastig te
kwantificeren en kan niet direct worden afgeleid van de criteria genoemd
in tabel 1. Duidelijk is dat de beoordeling van de groeibevorderende
werking van leidingmaterialen moet
samenhangen met de beoordeling
van de groeibevorderende werking
van het drinkwater. Hieronder is uiteengezet hoe de biologische stabiliteit van het drinkwater kan worden
bepaald en beoordeeld. Op basis van
deze informatie zijn uitgangspunten
afgeleid voor de beoordeling van de
groeibevorderende werking van materialen in contact met leidingwater
tijdens transport en distributie. Materialen voor leidingwaterinstallaties
blijven hier buiten beschouwing.
Biologisch stabiel drinkwater
Ongeveer eenderde deel van het
drinkwater in Nederland wordt bereid
uit oppervlaktewater en tweederde
deel uit grondwater. Bij de bereiding
van drinkwater uit oppervlaktewater
wordt een reeks processen (waaronder bodempassage, coagulatie/sedimentatie, ozonisatie, filtratie door actieve kool, uv-desinfectie) toegepast
(‘multiple barriers’) om de chemische
en microbiologische verontreinigingen uit het water te elimineren.
Grondwater is veel minder sterk verontreinigd en het zuiveringsproces
omvat meestal beluchting en zandfiltratie voor de verwijdering van ijzer,
mangaan, methaan en ammonium.
Micro-organismen die zich vasthechten aan en groeien op het oppervlak
van zandkorrels (bodempassage,
zandfiltratie) of actieve kool verwijderen afbreekbare organische stoffen en
ammonium uit het water (figuur 1).
Het meten van het effect van zuiveringsprocessen op het gehalte afbreekbare stof kan op verschillende
IK3 76-79
28-02-2005
14:37
Pagina 77
name van de ATP-concentratie op
de ringen kan de biofilmvormingssnelheid worden berekend
(pg ATP/cm2.dag).
Met de in Nederland ontwikkelde
en de BVS-bepaling zijn
metingen uitgevoerd bij een groot
aantal drinkwatertypen. De BDOC-bepaling, die in Frankrijk is ontwikkeld,
bleek onvoldoende gevoelig voor het
onderzoek van drinkwater in Nederland. Het AOC-gehalte van het drinkwater ‘af pompstation’ in Nederland
is vrijwel steeds lager dan 10 µg C/l.
In het verleden is aangetoond dat bij
een gehalte boven 10 µg C/l tijdens
transport en distributie een afname
optreedt van het AOC-gehalte die gepaard gaat met een toename van het
koloniegetal. Bij waarden beneden
10 µg C/l is deze afname heel gering
(figuur 2).
De BVS-waarden van het drinkwater
‘af pompstation’ lopen uiteen van
waarden < 1 pg ATP/cm2.d tot
waarden boven 50 pg ATP/cm2.d (figuur 3). De laagste BVS-waarden worden gevonden bij drinkwater dat is
bereid door toepassing van langzame zandfiltratie en drinkwater bereid
uit zuurstofhoudend grondwater.
Naast de BVS-waarde levert de biofilmmonitor informatie over de concentratie van de biofilm op de glazen
ringen. Als vuistregel geldt hierbij
dat de biofilmconcentratie ongeveer
100 x de BVS-waarde is, dus een BVSwaarde van 10 pg ATP/cm2.d geeft
een biofilmconcentratie van circa
1000 pg ATP/cm2.
Naast de bepaling van de groeibevorderende eigenschappen van het
drinkwater geeft ook de concentratie
van de biofilm op de leidingwand informatie over de biologische stabiliteit van het drinkwater. Door onderAOC-bepaling
1. Bacteriën in filters van actieve kool spelen een belangrijke rol bij de verwijdering van afbreekbare stoffen uit het water bij de drinkwaterbereiding.
manieren plaatshebben. De bepaling
van het totale gehalte aan opgeloste
organische koolstof (DOC) is hiervoor
niet bruikbaar, omdat slechts een
klein en variabel deel van de in het
water aanwezige DOC door micro-organismen kan worden benut. Bij toepassing van biologische processen
leidt dit tot een onderschatting van
het zuiveringseffect en ook bij de
toepassing van oxidatieve processen,
waarbij een deel van de organische
stof wordt omgezet in gemakkelijk
afbreekbare stof, geeft het DOC-gehalte verkeerde informatie. Analytischchemische analyse van afzonderlijke
afbreekbare stoffen in water is lastig
en daarom zijn methoden ontwikkeld
waarmee de zogenoemde microbiologische groeipotentie van het water
kan worden bepaald. De methoden
die het meest worden toegepast worden hieronder kort toegelicht:
• de bepaling van het gehalte gemakkelijk assimileerbare organische koolstof (AOC). Deze bepaling
berust op het meten van de groei
van twee bacteriesoorten in een
monster drinkwater dat in een
grondig schoongemaakte fles met
glazen stop wordt geïncubeerd bij
15 ºC. Het AOC-gehalte wordt berekend uit het maximum aantal bacteriën. Dit gehalte wordt weergegeven als microgram acetaat-C equivalent per liter (µg C/l);
• de bepaling van het gehalte afbreekbare DOC (biodegradable dissolved organic carbon, BDOC). Hierbij wordt aan een volume (drink-)water een hoeveelheid zand uit
een biologisch zandfilter toegevoegd en vervolgens wordt de af-
name van het gehalte opgeloste organische stof (DOC) in het water gemeten. Het BDOC-gehalte (mg/l) is
het maximum verschil tussen de
beginconcentratie en minimum
concentratie bij incubatie;
• de bepaling van de biofilmvormingssnelheid (BVS) van het (drink-)
water. Hierbij stroomt het water
met een snelheid van 0,2 m/s door
een glazen kolom met glazen ringen (‘biofilmmonitor’). Periodiek
worden enkele glazen ringen uit de
kolom genomen en wordt het gehalte biomassa op de ringen bepaald door middel van de analyse
van het gehalte adenosinetrifosfaat
(ATP). Dit is een energierijke verbinding die in alle levende (micro-)organismen aanwezig is. Uit de toe-
2. Afname van het
typen.
AOC-gehalte
bij distributie van drie verschillende drinkwater-
intech K&S maart 2005 77
IK3 76-79
28-02-2005
14:37
Pagina 78
zoek aan leidingsegmenten van hard
PVC is informatie beschikbaar over de
biofilmconcentratie op de leidingwand bij enkele tientallen distributiesystemen. Deze biofilmconcentratie
ligt meestal tussen circa 100 en
6000 pg ATP/cm2. De mediaan (normale) waarde ligt bij circa 700 pg
ATP/cm2. De laagste waarden zijn
waargenomen bij drinkwater bereid
uit zuurstofhoudend grondwater; de
hoogste waarden bij drinkwater bereid uit grondwater dat hoge concentraties methaan en ammonium bevat.
Hard PVC draagt zelf nauwelijks bij
aan de biofilmvorming.
Uit de verkregen gegevens kunnen
referentiewaarden worden afgeleid
voor biologisch stabiel drinkwater.
Het koloniegetal (KG22) blijft beneden 100 kve/l bij AOC-waarden kleiner dan 10 µg C/l en nagroei van
Aeromonas-bacteriën blijft beperkt
bij BVS-waarden kleiner dan 10 pg
ATP/cm2.d. Drinkwater met de hoogste mate van biologische stabiliteit
heeft een BVS-waarde < 1 pg ATP/cm2.d
en biofilmconcentraties kleiner dan
100 pg ATP/cm2. Bij dergelijke watertypen is het AOC-gehalte meestal lager dan 5 µg C/l.
3. Biofilmvorming in de biofilm monitor bij drie verschillende typen drinkwater
bereid uit grondwater, waarbij:
- D, drinkwater uit anaëroob grondwater;
- E, drinkwater bereid uit oevergrondwater;
- F, drinkwater bereid uit aëroob grondwater.
Testmethoden voor materialen
In het Verenigd Koninkrijk worden
materialen in contact met leidingwater beoordeeld op groeibevorderende
eigenschappen met behulp van de
MDOD-test. (British Standard 6920). De
daling van de zuurstofconcentratie in
het testwater met het te onderzoeken materiaal is hierbij de maat voor
de beoordeling. Materialen met een
MDOD-waarde groter dan 2,3 mg/l
worden niet toegelaten, omdat op
dergelijke materialen onder de testcondities een zichtbare mate van
groei van micro-organismen optreedt. In Duitsland beoordeelt men
materialen op basis van slijmproductie zoals beschreven in DVGW Arbeitsblatt W270. Te onderzoeken materialen worden in stromend leidingwater
geplaatst en na drie en zes maanden
wordt het slijmvolume op het oppervlak gemeten. Slijmvolumes variëren
van minder dan 0,1 ml (detectiegrens) tot meer dan 10 ml/800 cm2.
Materialen die meer dan 0,1 ml slijm
produceren worden ongeschikt geacht voor toepassing in contact met
leidingwater.
In Nederland is voor het bepalen van
de groeipotentie van materialen een
werkwijze ontwikkeld, waarbij de
concentratie van de biomassa wordt
bepaald met de analyse van adenosinetrifosfaat (ATP). De BPP-test wordt
uitgevoerd door incubatie van stukjes materiaal in biologisch stabiel
drinkwater in een ladingsgewijze
78 maart 2005 intech K&S
4. Invloed van de BPS-waarde op de maximum contacttijd bij diverse diameters van
verschillende leidingmaterialen bij een ATP-toename van 1 ng/l.
(batch) proef bij 25 ºC. De biomassaproductiepotentie (BPP) van een materiaal is gedefinieerd als de gemiddelde waarde van de ATP-concentratie
(pg ATP/cm2) op het betreffende materiaal en in het water op de hierboven genoemde dagen. Typische BPPwaarden (pg ATP/cm2) voor materialen zijn circa 50 voor PVC-U, 500 tot
3000 voor PE en circa 30.000 voor
PVC-P en natuurrubber. De BPP-methode is vastgelegd in de Nederlandse
voornorm NVN 1225.
In het kader van de ontwikkeling van
het European Acceptance Scheme
(EAS) voor construction products in
contact with drinking water (CPDW)
worden binnen Europa testmethoden
geharmoniseerd en genormaliseerd.
Op grond van de resultaten van
onderzoek dat is uitgevoerd in workpackage 1 (microbial growth) van het
CPDW-project is geconcludeerd dat de
BPP-test geschikt is als basis voor een
te standaardiseren testmethode.
Standaardisatie van de methode
vergt echter nader onderzoek, onder
meer gericht op de ATP-analyse en de
samenstelling van het testwater. Het
definiëren van goed onderbouwde
‘pass-fail’-criteria voor deze materialen (CPDW) op basis van de BPP-waarde
is een volgende stap bij de realisatie
van het EAS.
Afstemming beoordeling van
drinkwater en materialen
Als randvoorwaarde kan worden gesteld dat toepassing van een materiaal in contact met leidingwater niet
IK3 76-79
28-02-2005
14:37
Pagina 79
een zodanige groei van micro-organismen mag veroorzaken dat wettelijke kwaliteitscriteria worden overschreden (tabel 1). Ook de watersamenstelling is van invloed op de
groei van micro-organismen tijdens
transport en distributie. Daarom is
het van belang om de eisen met betrekking tot de groeibevorderende eigenschappen van materialen en water in samenhang te formuleren.
Normopvulling bij drinkwater dat
aan de hoge eisen voldoet moet
daarbij zoveel mogelijk worden voorkomen. Voor toxicologische parameters wordt bij materialen een maximale bijdrage van tien procent aan
de normwaarde voor drinkwater gehanteerd. Voorgesteld wordt deze
factor eveneens te hanteren voor de
beoordeling van de biologische stabiliteit van materialen in vergelijking
met de biologische stabiliteit van
drinkwater. Tevens wordt voorgesteld om als referentiewaarde voor
de biologische stabiliteit van drinkwater uit te gaan van een AOC-gehalte
van 10 µg C/l en een BVS-waarde van
10 pg ATP/cm2.d. Een tien procent
fractie van deze waarden komt overeen met water met een hoge mate
van biologische stabiliteit. Hoe kunnen deze uitgangspunten worden
‘vertaald’ naar biologisch stabiele
materialen?
Uit de aanname voor het AOC-gehalte
kan worden afgeleid dat de materialen niet meer 1 µg C/l afbreekbare
stof mogen afgeven aan het drinkwater tijdens het verblijf in het leidingnet. Bij een volledige benutting door
micro-organismen kan dit leiden tot
een maximum toename van het ATPgehalte van het drinkwater van 1
ng/l. Dit gehalte is tien procent van
de 90-percentiel-waarde van de ATPgehaltes van het drinkwater ‘af
pompstation’ in Nederland.
Invloed van verblijftijd en
oppervlakte/volume-verhouding
Bij een bepaalde snelheid van afgifte
van afbreekbare stof door een leidingmateriaal is de theoretische toename (geen omzetting) van de concentratie afbreekbare stof in het water afhankelijk van de contacttijd en
van de oppervlakte/volume-verhouding. Bij volledige omzetting van de
afbreekbare stof in biomassa kan de
snelheid van afgifte van afbreekbare
stof worden uitgedrukt in biomassaproductiesnelheid (BPS). BPS (pg
ATP/cm2.dag) is equivalent aan de
biofilmvormingssnelheid (BVS) die
optreedt onder invloed van het water. Voor een materiaal met een bepaalde BPS-waarde kan de maximale
contacttijd worden berekend, namelijk:
Tmax = dATP x volume/(BPS x contactoppervlak) …(1), waarbij
geldt: volume/contactoppervlak = D/4 ……………….. (2),
dus:
Tmax = 0,6 D x dATP/BPS …………...(3).
In deze formules is Tmax de maximale contacttijd (uren), D is de inwendige leidingdiameter (mm), dATP, de
toename van het ATP-gehalte (ng/l) en
BPS de biomassaproductiesnelheid
van het materiaal (pg ATP/cm2.d).
Voor een dATP-waarde van 0,5 ng/l
en een BPS-waarde van 10 pg
ATP/cm2.d kan worden afgeleid dat
de maximum contacttijd in een leiding van 100 mm drie uren bedraagt. Bij een diameter van 600 mm
is dit 18 uren. Uitgaande van gemiddelde stroomsnelheden kunnen
uit deze contacttijden maximum leidinglengtes worden berekend, bijvoorbeeld 0,2 km bij 100 mm en
0,02 m/s en 324 km bij 0,5 m/s en
600 mm. In figuur 4 is het verband
tussen contacttijd en diameter bij
verschillende BPS-waarden grafisch
weergegeven.
In de BPP-test worden biofilmconcentraties gemeten in plaats van BPSwaarden, waardoor een omrekening
van BPS naar BPP nodig is. De biofilmconcentratie op een oppervlak wordt
bepaald door de aanvoer van afbreekbare verbindingen per tijdseenheid en de afvoer van biomassa. In
de BPP-test wordt geen biomassa afgevoerd en is de biofilmconcentratie
in evenwicht met de afgifte van afbreekbare stof door het materiaal,
dat wil zeggen:
BPS
=dx
BPP
…………………………..(4),
In deze formule is d de afnameconstante (d-1) die het gevolg is van de
ademhaling van de micro-organismen. Uit informatie over de overleving van bacteriën in suspensie kan
worden afgeleid dat de afnameconstante voor biomassa minimaal circa
0,02 d-1 is (bij 15 ºC). Dit betekent
dat een BPS-waarde van 1 pg
ATP/cm2.d overeenkomt met een BPPwaarde van 50 pg ATP/cm2. Een dergelijke waarde is waargenomen voor
hard PVC (PVCU). Een BPS-waarde van
10 pg ATP/cm2.d komt overeen met
een BPP-waarde die is waargenomen
voor PE.
alen kan worden afgeleid. Deze aanpak is voorgelegd aan het College
van Deskundigen (ministerie van
Vrom), maar heeft in Nederland (nog)
geen officiële status. Uit de voorbeelden voor PVCU en PE kan worden afgeleid dat de werkwijze met de praktijk overeenkomt, maar een nadere
analyse van praktijksituaties is nodig
voor verificatie. Afgifte van afbreekbare stoffen kan op meerdere plaatsen tussen pompstation en watermeter optreden, bijvoorbeeld door
transportleidingen met een grote diameter en door distributieleidingen
met een kleinere diameter. Dit betekent dat per leidingmateriaal dATPwaarden kleiner dan 1 worden gehanteerd, bijvoorbeeld 0,5 ng/l. Een
ander punt van aandacht vormt de
groei van legionella in biofilms in leidinginstallaties bij temperaturen in
het risicotraject (25-45 ºC). Materialen ‘na de watermeter’ vallen buiten
de hierboven beschreven aanpak.
Onderzoek naar de invloed van materialen, die in dergelijke installaties
worden toegepast, op de biofilmvorming en groei van legionella kan aanknopingspunten bieden voor de beoordeling.
Realisatie van het EAS betekent dat
duidelijkheid zal (moeten) worden
verschaft over de te hanteren beoordelingscriteria. Dit is om verschillende redenen nog een grote uitdaging.
De belangrijkste zijn:
• in diverse landen worden testmethodes in combinatie met beoordelingscriteria al enkele decennia toegepast;
• in diverse landen is het gebruikelijk om nagroei te beperken door
handhaving van een restgehalte
van een desinfectiemiddel in het
drinkwater bij transport en distributie;
• nagroei wordt door tal van factoren (temperatuur, hydraulische
condities, restgehalte desinfectiemiddel) beïnvloed waardoor een
eenduidige wetenschappelijke
onderbouwing van de criteria
wordt bemoeilijkt;
• de esthetische, respectievelijk gezondheidskundige bezwaren van
nagroei worden niet overal gelijk
beoordeeld.
Beschouwing
Uit de hierboven weergegeven informatie blijkt dat op basis van informatie over vermeerdering van micro-organismen in drinkwater bij transport
en distributie een werkwijze voor het
beoordelen van de groeibevorderende eigenschappen van leidingmateri-
In Intech heeft in juni 2004 een eerste
artikel over dit onderwerp gestaan:
‘Groei micro-organismen materiaalsoort afhankelijk - Nederland ontwikkelt nieuwe bepalingsmethode voor
groeipotentie’.
intech K&S maart 2005 79