Biofilm populations in drinking water installations: The impact of applied materials and disinfection methods

In der häuslichen Trinkwasserinstallation können abhängig vom eingesetzten Material, der Wassertemperatur und des Trinkwassers unterschiedliche Biofilmpopulationen entstehen. Unter ungünstigen Umweltbedingungen können sich auch hygienisch relevante Mikroorganismen einnisten und persistieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die bakterielle und eukaryotische Zusammensetzung von Trinkwasserbiofilmpopulationen mit Hilfe von 16S und 18S rDNA Klonbibliotheken und genetischen Fingerprints (DGGE) untersucht. Die Biofilme wurden auf mehreren Trinkwassermaterialien (Kupfer, PE-Xb, PE-Xc, EPDM mit/ohne Empfehlung nach DVGW W270), in verschiedenen deutschen Trinkwässern und bei unterschiedlichen Temperaturen angezogen, zum Teil mit L. pneumophila und P. aeruginosa kontaminiert und desinfiziert. Es sollte u. a. der längerfristige Einfluss von verschiedenen Desinfektionsmitteln und Präparaten (Cl2 ClO2, O3, H2O2 in Kombination mit Fruchtsäure, Silber bzw. Silber mit Peressigsäure) auf die mikrobielle Biofilmzusammensetzung ermittelt und die Anwendbarkeit der molekularbiologischen Techniken (inkl. qPCR) als Standardnachweismethoden evaluiert werden. Die analysierten Einflussfaktoren konnten in drei übergeordnete Gruppen qualitativ nach ihrer Einflussstärke auf die Zusammensetzung der Biofilmpopulation eingeteilt werden (Trinkwasserbeschaffenheit > Trinkwasserinstallation > anthropogene Einflüsse). Neben der Beschaffenheit des Trinkwassers, welches in die Installation eingespeist wird, haben die Trinkwasserinstallation selbst (Wassertemperatur, eingesetzte Materialien) und anthropogene Eingriffe (z.B. Desinfektion) einen entscheidenden Einfluss auf die mikrobielle Biofilmzusammensetzung. Die Biofilme setzten sich hauptsächlich aus Vertretern der Alpha-, Beta- und teilweise Gammaproteobakterien in unterschiedlichen Abundanzen zusammen. Der Einfluss der Trinkwasserbeschaffenheit äußerte sich durch das vermehrte Auftreten von Betaproteobakterien in grundwasserbeeinflussten und von Alphaproteobakterien in oberflächenbeeinflussten Trinkwässern angezogenen PE-Xc-Biofilmen. Es war auffällig, dass in PE-Xc-Biofilmen fast keine Aquabakterien erfasst wurden, aber zum Teil am gleichen Standort in anderen Biofilmen Aquabakterien dominant waren. Auf den EPDM-Materialien wurden vermehrt Vertreter der Familie der Sphingomonadaceae und Flavobakterien nachgewiesen, die für ihr breites Abbaupotential bekannt sind. Desinfektionsmaßnahmen haben einen materialabhängigen, längerfristigen Einfluss auf die nachfolgende Zusammensetzung der Biofilmpopulation. Biofilmfördernde Materialien wurden relativ rasch von einer sehr ähnlichen Population erneut besiedelt. Auf Materialien, die das Biofilmwachstum nicht fördern, können durch eine Desinfektion möglicherweise Persister, hygienisch relevante Mikroorganismen und Organismen selektiert werden, die sich aufgrund toter Biofilmzellen ansiedeln und diese als Nährstoffquelle nutzen. Es wurde gezeigt, dass durch die Desinfektionsmaßnahme im PE-Xc-Biofilm partiell Mikroorganismen gefördert wurden, die ein großes Substratspektrum besitzen und die teilweise bei immunkomprimierten Personen Infektionen auslösen könnten. Die Trinkwasserbeschaffenheit und eine Desinfektion mit Chlordioxid hatten auch eine Änderung der Eukaryotenpopulation zur Folge. Es wurden zum Teil unbekannte Amöbenarten in den Trinkwasserbiofilmen durch die molekularbiologischen Untersuchungen erfasst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Populationszusammensetzung von Trinkwasserbiofilmen von einer Vielzahl von Faktoren abhängig ist. Ohne Beseitigung der Kontaminationsquelle des Trinkwassers (z. B. biofilmfördernde Materialien) und der fördernden Umweltbedingungen, kann ein langfristiges, nachhaltiges Sanierungsziel durch eine alleinige Desinfektion ohne mechanische Reinigung nicht erreicht werden.In a drinking water installation different compositions of biofilm populations will develop depending on the used materials, water temperature and drinking water. Hygienically relevant microorganisms can settle and persist in drinking water biofilms under certain unfavourable environmental conditions. In the present study different factors influencing the microbial composition of bacteria and eukaryotes in drinking water biofilms were determined with different molecular approaches: 16S rDNA and 18S rDNA clone libraries and molecular fingerprinting (DGGE). Biofilm communities grown on different drinking water pipe materials (Copper, PEXb, PEXc and rubber qualities (EPDM)), at different water temperatures and at different sites of Germany were contaminated with L. pneumophila and P. aeruginosa and disinfected. The long-term effect of different disinfection methods (Cl2 ClO2, O3, H2O2 combined with fruit acid, silver and silver with peracetic acid, respectively) on biofilm communities was examined. The applicability of molecular techniques (e. g. qPCR) as standard detection methods was estimated. The analysed factors influencing the microbial composition of biofilms could be classified into three main groups depending on the strength of the factors: properties of the drinking water > drinking water installation > anthropogenic influences. Besides the properties of the drinking water, which is supplied through the installation, the installation itself (water temperature, used materials) and anthropogenic impacts like disinfection have an important influence on the microbial biofilm composition. The biofilms were mainly composed of different proportions of Alpha-, Beta- and partly of Gammaproteobacteria. The impact of the drinking water was observed by an occurrence of different microbial biofilms compositions on PEXc: Biofilms grown in drinking water originated from (a) groundwater were dominated by Betaproteobacteria and (b) from surface water were dominated by Alphaproteobacteria. It was noticeable that in PEXc biofilms nearly no Aquabacteria were detected even though they were dominant in other biofilms of the same location. On EPDM materials an increased occurrence of representatives of the family Sphingomonadaceae and Flavobacteria was detected, which are known for their broad degradation potential. Disinfections showed material dependent, long-term effects on the subsequently developing biofilm population. Biofilm growth supporting materials were rapidly colonized by a very similar biofilm population again. A disinfection of biofilms on non-growth supporting materials could favour hygienically relevant microorganisms, persister and organisms, which settle and live on easily degradable organic substances of dead biomass. It was shown that a disinfection of a PEXc biofilm promoted microorganisms, which have a broad nutrient spectrum and could pose a risk of infections for immunocompromised persons. The properties of the drinking water and the disinfection with chlorine dioxide also caused a change in the eukaryote population. Unknown amoeba species of drinking water biofilms were detected by the molecular approach. The results of this work show that the microbial composition in drinking water biofilms is dependent on a variety of factors. Without elimination of the contamination source of the drinking water (e.g. growth supporting materials) and supporting environmental conditions, a sustainable remediation goal cannot be reached by an exclusive disinfection without mechanical cleaning