Probleme während der Trinkwasseraufbereitung von cyanobakteriell belastetem Oberflächenwasser | Problems during drinking water treatment of cyanobacterial-loaded surface waters : consequences for human health

Ohne Wasser kein Leben. Der Mensch begnügt sich allerdings nicht mehr mit diesem einfachen Grundsatz. Das Trinkwasser muss bestimmten Kriterien entsprechen, zumindest schmackhaft aussehen und angenehm riechen. Cyanobakterien bzw. von diesen Organismen produzierte Metabolite erwiesen sich in den letzten Jahren als mögliche Verursacher gesundheitlicher Probleme beim Menschen. Probleme verursachen Cyanobakterien nicht nur aufgrund ihres meist unangenehmen Geruchs und der unerwünschten Färbung des Wassers. Von diesen Organismen produzierte toxische Sekundärmetaboliten stellen ein Risiko für die Gesundheit der mit dem entsprechend belasteten Trinkwasser versorgten Menschen dar. Die chemische Struktur und die damit verbundenen Eigenschaften dieser Toxine ist unterschiedlich und umfaßt u. a. Alkaloide (Saxitoxine, Anatoxin-a, Cylindrospermopsin) und Polypeptide (Microcystine, Nodularine), die negativen Einfluß auf verschiedene Organsysteme des Menschen haben können. Um das Risiko für die Menschen zu begrenzen, ist eine geeignete Aufbereitung des Trinkwassers nötig. In einem Teilprojekt der vorliegenden Arbeit wurde ein Trinkwasser-Aufbereitungssystem im Labormaßstab aufgebaut, um die Vorgänge während der Aufbereitung cyanobakterieller Wässer imitieren zu können. Hierfür wurde eine Ozonungsstufe und verschiedene Filtrationsmaterialien installiert und deren Effektivität bezüglich der Eliminierung von reinem Microcystin - LR (MC-LR), von Extrakten aus Planktothrix rubescens und von intakten Zellen von Microcystis aeruginosa bzw. Trichomen von P. rubescens untersucht. Diese Versuche zeigen, daß die Effektivität der Detoxifizierung cyanobakterieller Proben von einem hohen Gesamtkohlenstoffgehalt des aufzubereitenden Wassers negativ beeinflußt wird. Ozon führt schon bei Konzentrationen, die üblicherweise in Wasserwerken eingesetzt werden, zu einer Lyse der cyanobakteriellen Zellen und damit zu einer Freisetzung der Toxine. Die Resttoxizität nach Ozonung wurde durch die nachfolgenden Filtrationssysteme erfolgreich entfernt. Ergänzend wurden Proben aus Trinkwasserwerken in Australien, Deutschland und der Schweiz auf cyanobakterielle Toxine hin untersucht. Diese Proben wurden aus dem Rohwasser und nach den jeweiligen Filtrationsstufen entnommen. Belastungen des Rohwassers mit mehr als 5 µg MC/L waren detektierbar, wobei die jeweils angewandte Aufbereitungsmethodik die Toxinkonzentrationen deutlich unter den von der WHO angegebenen Richtwert von 1.0 µg MC-LR/L Trinkwasser reduziert. Eine weitere Methode der Gewinnung von Trinkwasser ist die Uferfiltration. Probennahmen aus einem entsprechend genutzten Gewässer in der Schweiz und dem filtrierten Wasser in ufernahen Brunnen haben gezeigt, daß zwar mehr als 99% der MCs entfernt bzw. abgebaut werden, jedoch noch Spuren an MC in den Trinkwasserbrunnen vorhanden sind. Neben den trinkwasser-relevanten Daten konnten auch Informationen über ökologische Aspekte des Auftretens von Cyanobakterien und der möglichen Funktion der Toxine gesammelt werden. Im Hallwiler See/Schweiz weist der Vergleich von cyanobakterieller Zellzahl zu Toxingehalt auf einen Wechsel von Subpopulationen der Spezies P. rubescens hin, wobei diese Subspezies morphologisch nicht zu unterscheiden sind. Im Gordonbrook Dam/Australien konnte im Laufe zweier Jahre mehrmals ein Wechsel der dominierenden Cyanobakterien - Spezies beobachtet werden. Eine zeitliche Kohärenz zwischen interartlichen Konkurrenzsituationen um die Vorherrschaft im Gewässer und der jeweiligen Toxinkonzentrationen sind zu erkennen. Nachdem eine Cyanobakterienart die Dominanz im Gewässer übernommen hatte, ging die Toxinkonzentration trotz steigender Zellzahl zurück. Aus diesen Beobachtungen kann eine allelopathische Funktion dieser Sekundärmetabolite abgeleitet werden. Eine alternative Erklärung wäre ein Dominanzwechsel von einer toxischen zu einer nicht-toxischen Subpopulation der jeweiligen Spezies. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit war die Aufklärung des Abbauweges von MCs während der Ozonung und die mögliche Resttoxizität. Unabhängig von der Konzentrationen an Ozon wird die Adda-Seitenkette der MCs an verschiedenen Positionen abgespalten, gefolgt von einem Aufbruch der Ringstruktur des Restmoleküls und weiteren Mineralisierungsschritten, die nicht im Detail aufgeklärt wurden. Strukturelle und funktionelle Testsysteme ergaben keine zusätzlichen Signale. Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß MC-LR Produkte nach oxidativem Abbau durch Ozon keine detektierbare Adda-Seitenkette mehr besitzen und diese Produkte nicht mehr imstande sind, Proteinphosphatasen zu inhibieren. In dieser Arbeit ist der Wissensstand auf dem Gebiet der Effektivität verschiedener Trinkwasseraufbereitungsmethoden bezüglich der Eliminierung cyanobakterieller Toxine zusammengefaßt. Zusätzlich enthalten ist eine Beurteilung der möglichen Aufnahmewege und negativen Einflüsse dieser Toxine auf die menschliche Gesundheit.

No life without water. Indeed, the human being is not content with this simple maxim any more. Drinking water must fulfil distinct criteria of appearance, smell and taste. The exponential population growth and the subsequent problems with environmental pollution endanger the supply of inoffensive and healthy drinking water. Analytical improvements have enabled the detection of potential harmful organisms and molecules in drinking water: cyanobacteria and metabolites synthesised by these organisms were proven to cause illnesses in humans. Different organ systems can be affected by these secondary metabolites. The best investigated cyanobacterial toxins are alkaloids (saxitoxins, anatoxin-a, cylindrospermopsin) and polypeptides (microcystins, nodularins). To avoid risks to human health, an appropriate drinking water treatment is necessary. In one part of this study a laboratory-scale drinking water treatment system was built to mimic the processes in water works, which ought to remove cyanobacteria and their toxins from drinking water. Therefore, an ozonation and a variety of filtration steps were installed and their respective efficacies regarding the elimination of pure microcystin-LR (MC-LR), extracts and cells of Planktothrix rubescens and Microcystis aeruginosa from raw water were investigated. The experiments have shown, that the detoxification efficacy of the installed treatment system is affected negatively by the concentration of total organic carbon in the sample. Furthermore, the ozone concentration regularly used in water works can lead to lysis and release of toxins followed by an increased amount of extracellular toxin after ozonation. However, the residual toxicity after ozonation could be successfully removed by the following filtration systems. In addition, samples from drinking water works in Australia, Germany and Switzerland were screened with respect to cyanobacterial toxins. The samples were taken both from raw water and after the different filtration steps. In raw water concentrations of more than 5.0 µg MC/L were detectable. However, after the respective treatment steps, the concentration was distinctly below the provisional WHO guideline value of 1.0 µg MC-LR/L in every case. A further method to produce drinking water is to employ natural water cleaning by bank filtration. To prove the efficacy of this filtration to degrade/remove cyanobacterial toxins, samples were taken from Lake Hallwil/Switzerland and the respective drinking water well near the shore. Lake Hallwil is known for regular blooms of toxic P. rubescens. More than 99% of the MC concentration detected in the lake water could be filtered (and degraded) via bank filtration. As well as the drinking water relevant data, information could gathered up with reference to the ecological aspect of cyanobacteria and the function of their toxins. In Lake Hallwil the comparison of cyanobacterial density and toxin amount can be interpreted as evidence for a change between the dominance of subpopulations of P. rubescens, which cannot be differentiated morphologically. In Gordonbrook Dam/Queensland/Australia the predominating species changed several times during a two-year period. A temporal coherence of interspecies competition for predominance in the water body and the respective toxin concentration was recognizable. Once a species had reached predominance, the toxin amount per litre decreased in spite of increasing cell density. An allelopathic function of these secondary metabolites can be derived from these observations. A further interpretation of this phenomenon could be a change in predominance from a toxin producer to a non toxin-producing subpopulation. This change in dominance could be formed after the predominance of one species has been established and interspecies competition no longer takes place, similar to the situation at Lake Hallwil as described above. A further part of this thesis was the identification of the degradation pathway of MC-LR after ozonation and the possible toxicity of the resulting by-products. It could be shown that ozonation cleaves the Adda side-chain at different positions. This is independent of the ozone concentration and is followed by a break-up of the ring-structure and further mineralisation steps, which could not be identified in detail. Structural and functional test systems resulted in no additional signals. This gives strong evidence that MC-LR ozonation by-products do not have a detectable Adda-side chain and are no longer capable of protein phosphatases inhibition. The knowledge regarding the efficacy of different drinking water treatment steps to eliminate and/or remove cyanobacteria and cyanobacterial toxins is summarised in this report. In addition, the importance of different pathways of ingestion and the possible negative influences of cyanobacterial toxins on human health are assessed.