Influence of temperature on the survival of hygienically relevant bacteria in drinking water and drinking water biofilms

Wagner, Janine GND

Geschätzt mehr als 95 % der Biomasse in Trinkwasserverteilungsnetzen ist als Biofilm auf Oberflächen zu finden. Im Normalfall sind die Mikroorganismen in diesen Trinkwasserbiofilmen nicht von hygienischer Bedeutung. Es kann aber nicht ausgeschlossen werden, dass pathogene Organismen in ein Trinkwasserverteilungsnetz gelangen und das Trinkwasser kontaminieren. Besonders gut überdauern können einige Pathogene, indem sie sich in Trinkwasserbiofilme einnisten und sich dort vermehren oder persistieren. Ein wichtiger Faktor bei der Vermehrung von Mikroorganismen ist die Temperatur. Eine erwartete Folge der durch den Klimawandel erzeugten globalen Erwärmung ist der Anstieg der Wassertemperaturen in Oberflächenwasser und Böden. Das würde gleichermaßen bedeuten, dass sich auch das Wasser in den Trinkwasserverteilungsnetzen erhöht. Die vorliegende Studie beschäftigt sich daher mit dem Einfluss der Wassertemperatur auf die Einnistung und Persistenz hygienisch relevanter Mikroorganismen in Trinkwasserbiofilmen.

Dazu wurden in Laborexperimenten Trinkwasserbiofilme auf EPDM-Coupons und auf Coupons aus PE80 etabliert. Parallel geschah dies unter nährstoffarmen und nährstoffreichen Bedingungen bei verschiedenen Wassertemperaturen im Bereich von 8 °C to 29 °C. Die Einnistung und Persistenz der Organismen wurde mittels konventioneller Kulturverfahren und der kulturunabhängigen Fluoreszenz in situ Hybridization (FISH) detektiert. Alle getesteten Zielorganismen waren in der Lage, sich in die etablierten Trinkwasserbiofilme einzunisten. Die Konzentration kultivierbarer E. coli and K. pneumoniae wurde kaum durch die Temperatur beeinflusst. Jedoch verringerte sich unter nährstoffarmen Bedingungen bei beiden Organismen die Anzahl der kultivierbaren Bakterien bei einer Wassertemperatur über 21 °C sowohl auf PE80 als auch auf EPDM. Im Gegensatz dazu stieg die Konzentration von P. aeruginosa bei Wassertemperaturen über 21 °C an. Coupon-Material und Nährstoffangebot hatten darauf keinen Einfluss mit einer Ausnahme bei 8 °C. Unter nährstoffreichen Bedingungen war die Einnistung bei dieser Wasstertemperatur deutlich höher als unter nährstoffarmen Bedingungen. Die Einnistung von L. pneumophila war über den gesamten Temperaturbereich vergleichbar. Bei Wassertemperaturen über 25 °C wurde L. pneumophila unter nährstoffarmen Bedingungen mittels kultureller Methoden jedoch nicht nachgewiesen. Die Persistenz von E. coli und K. pneumoniae wurde zwar durch die Zugabe von Nährstoffen verlängert, die Wassertemperatur hatte aber keinen Einfluss auf das Überdauern der Zielorganismen in den Trinkwasserbiofilmen mit einer Ausnahme bei 25 °C. Hier wurden unabhängig von Coupon-Material und Nährstoffsituation keine kultivierbaren E.coli und K. pneumoniae nachgewiesen. Mit der kulturunabhängigen Methode FISH wurden E. coli und K. pneumoniae über die gesamte Dauer des Experiments nachgewiesen. Zellzahlen waren mit der FISH-Methode deutlich höher als die durch kulturelle Methoden ermittelten Zellzahlen, was darauf hinweisen könnte, dass die Zielorganismen in einem sogenannten “Viable-but- nonculturable”- Zustand waren. Ergänzend zu den Laborversuchen wurden auch Feldversuche durchgeführt. Dazu wurden Biofilmreaktoren als Bypass in ein Trinkwasserverteilungsnetz eingebaut, um Trinkwasserbiofilme auf verschiedenen Materialien (EPDM, PE80, Edelstahl) anzuzüchten. Es wurde keine eindeutiger Effekt der Wassertemperatur auf die hygienische Qualität des Trinkwassers beobachtet. Das Material der Oberflächen, auf denen der Biofim gewachsen ist, hatte jedoch insofern einen Einfluss, dass auf EPDM die Biofilme eine höhere Zelldichte aufwiesen als auf PE80 oder Edelstahl. In 18 % der alanysierten Proben wurden hygienisch relevante Bakterien mittels kultureller Methoden in den Trinkwasserbiofilmen nachgewiesen. Die Zahl der koloniebildenden Einheiten erhöhte sich leicht mit steigenden Wassertemperaturen (4 % im Winter; 17 % im Sommer). Mittels FISH wurden kulturell nicht detektierbare Pathogene (P. aeruginosa, E. coli, K. pneumoniae, L. pneumophila) nachgewiesen, was auf ein Vorkommen dieser Organismen im VBNC-Zustand hindeutet. Die Häufigkeit, mit der die Zielorganismen mittels FISH nachgewiesen wurden und der Einfluss von Wassertemperatur und Oberflächenmaterial, war stammabhängig.

Diese Studie hat gezeigt, dass der Einfluss der Wassertemperatur auf das Überleben von hygienisch relevanten Bakterien in Trinkwasserbiofilmen nach keinem eindeutigen Schema verläuft. Das Ausmaß des Einflusses war in diese Studie abhängig von der Spezies und die Wassertemperatur war nur einer von vielen Faktoren, die in einem so komplexen System wie sie Trinkwassersyteme mit ihren Trinkwasserbiofilmen darstellen das Vorkommen von hygienisch relevanten Mikroorganismen beeinflusst.

Drinking water biofilms are ubiquitous and approximately over 95 % of the biomass within distribution systems is attached to surfaces. Predominantly, drinking water biofilms consist of autochthonous aquatic microorganisms of no relevance for human health. However, pathogens may occasionally enter and contaminate drinking water distribution systems and persist in these biofilms. Temperature is a critical factor for growth of microorganisms. As a consequence of climate change induced global warming, raw water and soil temperatures may increase resulting in elevated temperatures in drinking water distribution systems. Therfefore, this study focused on the influence of temperature on incorporation and persistence of pathogens in drinking water biofilms.

In laboratory experiments, biofilms were grown on coupons of elastomeric (EPDM) and plastic (polyethylene PE80) material in either oligotrophic or copiotrophic drinking water at temperatures in the range of 8 °C to 29 °C. Incorporation and persistence of the target organisms were monitored by standard cultural methods and by culture-independent fluorescence in situ hybridization (FISH). All target organisms incorporated into the established biofilms. Numbers of cultivable E. coli and K. pneumoniae were hardly affected by water temperatures. On both materials incorporation decreased at temperatures above 21 °C under oligotrophic conditions.The decrease of the numbers of both target organisms was more significant whit cultural methods than with FISH. Incorporation of cultivable P. aeruginosa increased at a first step at temperatures above 8 °C regardless of material and nutrient situation. Another increase was observed at temperatures above 21 °C. At temperatures above 8 °C incorporation of L. pneumophila was largely similar in the oligotrophic water, whereas no cultivable L. pneumophila were detectable at water temperatures above 21 °C regardless of the nutrient situation. Persistence of E. coli and K. pneumoniae was significantly enhanced by nutrient addition but not by water tempertaure. With FISH, E. coli and K. pneumoniae were detectable over the entire period of the experiment under all conditions and cell densities were significantly higher than those detected by cultural methods indicating that these bacteria possibly have entered a viable but nonculturable (VBNC) state in drinking water biofilms. However, at 25 °C no culturable E.coli and K. pneumoniae were detectable independet of nutrient situation and coupon material.Culturable as well as nonculturable P. aeruginosa was detectable over the whole period of the experiment, regardless of water temperature and nutrient situation. Persistence of culturable L. pneumophila was significantly shortened by the addition of nutrients. On PE persistence was enhanced at temperatures above 21 °C under oligotrophic conditions.

In field experiments, biofilms were established in a real drinking water system to monitor possible impacts of drinking water temperature on drinking water quality. No distinct effect of water temperature was observed. However, drinking water biofilms showed higher cell densities on nutrient-leaking materials. In 18 % of the analyzed drinking water biofilms, hygienically relevant bacteria were detected by cultural methods. The number of colony forming units of coliform bacteria slightly increased with elevated temperatures (4 % in winter; 17 % in summer). With FISH, culturally not detectable hygienically relevant organisms were detected (P. aeruginosa, E. coli, K. pneumoniae, L. pneumophila), indicating their presence a VBNC-state. Moreover, the influence of temperature on the persistence of the target organisms possibly present in the VBNC state was strain dependent and did not follow a distinct pattern.

The study revealed that the influence of water temperature on incorporation and persistence of hygienically relevant bacteria was not distinct and species-dependent. It was demonstrated that water temperature cannot be taken into account as an isolated parameter when monitoring drinking water quality but has to be considered as one factor in a system of complex interdependencies.

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Wagner, J., 2021. Influence of temperature on the survival of hygienically relevant bacteria in drinking water and drinking water biofilms. https://doi.org/10.17185/duepublico/73521
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