Riziko v systému zásobování pitnou vodou: organoleptické závady

1. Úvod do problematiky

Výskyt mikroorganismů v povrchových vodách je spojovaný s řadou problémů hygienické i technické povahy, projevující se na základě finálního využití zdroje vody. Zákonem č. 258/2000 Sb. v platném znění je výrobcům a dodavatelům pitné vody a provozovatelům veřejných vodovodů uložena povinnost zpracovat posouzení rizik a tato následně promítnout do provozního řádu a monitorovacího programu. V souvislosti s revizí zákona č. 258/2000 Sb. a jeho prováděcí vyhlášky č. 252/2004 Sb. se pozornost provozovatelů distribučních sítí kritičtěji zaměřuje na rizikové body, které byly opomíjeny. Rizikovým bodem v distribuci je sekundární produkce metabolitů mikroorganismů vnímána jako organoleptická závada používané vody. Při jejím zjištění dochází k řadě opatření na úpravnách vody, v průmyslu, při rekreaci, v rybničních zdržích a na údolních nádržích. Řeší se nejen samotná přítomnost a množství buněk/jedinců ve vodě, ale rovněž i metabolická aktivita mikroorganismů, která má zásadní vliv na řadu fyzikálních, chemických a organoleptických vlastností vody. Senzorické závady nemusí být nutně spojeny s riziky a zdravotní závadností pitné vody. Nicméně, v případě zápachu a zvláštní chuti vody bohužel vzrůstá nedůvěra spotřebitelů v kvalitu vody, spotřebitelé jsou nespokojení a stěžují si. Na každém provozovateli vodárenské sítě je, aby začal řešit, proč tomu tak je, co způsobuje onu závadu a jak ji lze operativně a popř. i preventivně napravit. Otázkou je, zda se jedná se o stav přechodný, který vyřeší aktuálně odebraný vzorek nebo důkladně provedený monitoring (audit) distribučního systému, anebo se jedná o déletrvající záležitost, která si vyžádá větší investiční náklady v technologii a distribuci pitné vody.

Ve vodách se metabolity vyskytují většinou v takových koncentracích, které nemají na člověka žádný cytotoxický nebo genotoxický účinek, nicméně jsou smyslově negativně vnímány a ovlivňují konečnou konzumaci vody spotřebitelem. Ve vodním ekosystému, s různou úrovní trofie a přítomností nutrientů, se vyskytuje mnoho mikroorganismů podílejících se na ovlivnění pachu a příchutě vody. Tento problém nastává hlavně v těch případech, kdy se surová povrchová voda upravuje na vodu pitnou a u spotřebitele na kohoutku je následně řešen problém silně zapáchající a mnohdy i nepoživatelné pitné vody. S přihlédnutím k projevům eutrofizace a působení změn v krajině, v hospodaření a nakládání s vodami je nutné konstatovat, že tento problém bude stále aktuální a bude na některých úpravnách vody do budoucna významněji a zásadně řešen. Proto bychom se měli zaměřit na pachotvorné metabolity produkované bakteriemi, sinicemi a popř. i řasami. Dosti diskutované jsou geosmin a 2-MIB, jejichž silně zemitý zápach (zatuchle/bahnitý) je řešen i odstávkou zásobované oblasti i na delší dobu.

Náš tým měl možnost spolupracovat na problematice senzorických závad surové a upravené pitné vody u spotřebitele způsobené vyšší prahovou koncentrací geosminu a 2-MIB (methylisoborneol). Tato spolupráce nakonec vyústila v širší monitoring na několika významných a z hlediska výroby a dodávky pitné vody strategických zdrojích surové vody. Z praxe se nám opakovaně potvrzuje, že je kruciální správná identifikace pachu vody, protože nesprávná identifikace pachu vede k nesprávnému uchopení řešení celé situace, nesprávně je určeno nápravné opatření a učiněné řešení problému se může zásadně minout účinkem.

2. Projev organoleptické závady

Bakterie, sinice a řasy produkují různé organické látky, které jsou zodpovědné za často řešené problémy spojené s dosažením vhodné kvality pitné vody. Může se jednat například o trans-2,cis-6-non-adienal s okurkovým zápachem, (E,E)-2,4-heptadienal a (E,Z)-2,4-heptadienal s rybím zápachem, geosmin a 2-MIB se zemitým zápachem, ß-cyclocitral, seskviterpeny, 3-methyl-1-butanol a 6-methyl-5-hepten-2-on apod. S ohledem na nízkou prahovou koncentraci postižitelnosti pachu u spotřebitele pitné vody je zcela zásadní přítomnost geosminu a 2-MIB, které jsou postižitelné v jednotkách ng‧l⁻¹. Po chemické stránce jsou geosmin a 2-MIB látky stabilní a odolné biologické degradaci, ve volné vodě mohou přetrvávat velmi dlouhou dobu v rozpuštěné formě. Významnými producenty geosminu a 2-MIB ve vodách jsou aerobní vláknité aktinomycety (bakterie rodů Streptomyces) a myxobakterie. U streptomycet má vliv na produkci geosminu i jejich růstová fáze, kdy v případě neschopnosti tvořit spory či vzdušná mycelia, k tvorbě geosminu nedochází. Na produkci geosminu má vliv přítomnost substrátu v prostředí, sírany mědi zvyšují produkci biomasy i geosminu, naproti tomu mangan, hořčík, železo, kobalt, nikl a zinek mají pouze nepatrný vliv. Mnoho streptomycet (aktinomycet) je schopno tvořit spory, které jim umožnují přežívat v nepříznivých podmínkách, dále pak se jimi distribuují do dalších částí ekosystému, a za příznivých podmínek se začínají dělit, růst a metabolizovat. Již zmiňovaný rod Streptomyces je zástupcem saprofytických bakterií vyskytujících se v půdě a následně ve vodě, pomocí extracelulárních enzymů rozpouští organické látky. Dalšími významnými producenty geosminu jsou sinice. Zatímco sinice jsou aktivní v nádržích a ostatních rezervoárech, kde jsou vystaveny přímému světlu, jsou streptomycety naopak aktivní spíše v sedimentech a biofilmech. V distribučním systému pak může sekundárně nastávat výrazný problém s jejich eliminací [1, 2, 3].

Produkce geosminu a 2-MIB je ovlivňována mnoha environmentálními faktory, kterými jsou např. nutrienty, skladba přítomných společenstev, počasí, roční období, složení vody, morfologie povodí apod. Naším sledováním bylo zjištěno, že se ve vodách nejprve objeví geosmin, který je později následován 2-MIB [4, 5]. Významně, kde dochází k nárůstu koncentrace geosminu a 2-MIB, zjišťujeme v podmínkách vod, kde ve skladbě společenstev fytoplanktonu dominují penátní rozsivky (Asterionella formosa, Fragilaria crotonensis, Synedra, Navicula) nebo centrické rozsivky (Aulacoseira), zlativky (Chrysococcus) apod. Přičemž v textu uvedené informace se neomezují jen na zmíněné taxony, jejich uvedení je ve vztahu k monitorovaným lokalitám, kde byl jejich masivní nárůst spojen s aktivitou bakterií a produkcí geosminu a 2-MIB. Samozřejmě nesmíme opomíjet všudypřítomné sinice, zjm. pikoplanktonní, které mnohdy unikají pozornosti. Z uvedeného textu nemůžeme usuzovat na to, že právě přítomné druhy rozsivek a zlativek jsou odpovědné za přítomnost geosminu a 2-MIB, spíše bychom měli na tyto informace z rozborů nahlížet tak, že se biomasa a metabolická aktivita rozsivek (zlativek, apod.) v časném jarním období významně podílí na dotaci vodního sloupce organicky dostupným uhlíkem a dusíkem, které se stávají zdrojem živin pro přítomné bakterie. Řasy jsou rovněž významnými původci organoleptických závad ve vodách, ale produkce geosminu a 2-MIB u nich dosud nebyla potvrzena. Většinou se jedná o produkci látek, které mají podobný rybí, zemitý, hnilobný či okurkovitý zápach.

Díky stabilitě je geosmin i 2-MIB obtížně oxidovatelný běžnými postupy používanými ve vodárenství. Účinné technologie v odstranění geosminu a 2-MIB jsou většinou založeny na typech filtračních médií, kterými je aktivní uhlí. Pokud se uvažuje o zavedení ozonizace vody, je nutné počítat s tvorbou vedlejších produktů (ketonů), které způsobují další organoleptické závady a zvyšují biologickou nestabilitu v distribučním systému (vyšší biologická aktivita na trase, uvolnění biomasy, pozitivní nálezy mikroorganismů, které v pitné vodě nechceme). Proto se po ozonizaci vody doporučuje následná filtrace na aktivním uhlí. Pozor ale na koncentraci ozonu, při úvaze aplikace koncentrace ozonu více než 1 mg‧l⁻¹ dochází k degradaci algogenní organické hmoty vedoucí k tvorbě karboxylových kyselin se schopností stabilizace koloidů a znesnadňující účinnost flokulace [1].

3. Vhodné metody monitoringu organoleptických závad

Cílem každého monitoringu by mělo být sledování nejen samotného zdroje surové vody používaného pro úpravu na vodu pitnou, ale i jeho přítoků a dalších biotopů, které mohou zdroj významně ovlivňovat. Při našem sledování jsme měli možnost tuto problematiku organoleptické závady spojené s výskytem geosminu a 2-MIB řešit ve spolupráci s vodárenskými organizacemi upravujícími vodu z nádrží anebo využívající vodu z rybníků a tekoucích vod v oblasti s rašeliništi a vyšším obsahem huminových látek.

Metody biologického rozboru se v praxi omezují na ukazatele mikroskopického obrazu a mikrobiologického rozboru dané vyhl. č. 252/2004 Sb. Při našem sledování povodí byly vybrány ukazatele mikroskopického obrazu zaměřené na fototrofní organismy a stanovení koncentrace chlorofylu-a, ukazatele mikrobiologického rozboru zaměřené na kultivovatelné mikroorganismy se specifikací růstu při 22 °C a 36 °C, koliformní bakterie a E. coli, streptomycety (aktinomycety).

Možností, jak zjistit zdroj organoleptické závady je stanovení geosminu a 2-MIB dle aplikačního listu 5991-1031EN, Sensitive Detection of 2-MIB and Geosmin in Drinking Water firmy Agilent Technologies z roku 2012 (http://hpst.cz/sites/default/files/attachments/5991-1031en-sensitive-detection-2-mib-and-geosmin-drinking-water.pdf).

Dále se nabízí i detekce přesných typů mikroorganismů (streptomycet, aktinomycet) a detekce genu zodpovědného za syntézu geosminu (geoA) pomocí molekulárně biologické metody PCR (polymerázová řetězová reakce) anebo MALDI TOF.

Možnost kultivačního stanovení streptomycet ve vzorcích vody byla zjišťována v průběhu projektu tak, že byla postupně přidávána do metod stanovení více či méně selektivní média umožňující detekci streptomycet, přítomných ve vzorcích, v různých stádiích svého růstu (vegetativní, sporulující apod.). Původní snahou mikrobiologických rozborů bylo pokusit se zjišťovat primární nárůst kolonií streptomycet (popř. aktinomycet) na základním živném médiu dle ČSN EN ISO 6222 (agar s kvasničným extraktem), běžně využívaném v rutinních mikrobiologických analýzách provozních laboratoří. Vzhled a morfologie kolonií streptomycet vyrostlých na jednotlivých typech médií byly hodnoceny postupně tak, jak byla volena živná média (agar s kvasničným extraktem dle ČSN EN ISO 6222, tzv. AKE médium; agarové médium pro streptomycety s organickým dusíkem, tzv. SM médium, předpis č. 104; Streptomyces agar M1352, tzv. S médium; Bennet´s agar M694, tzv. B médium; ISP médium č. 3 M358, tzv. ISP médium; ISP médium č. 5, glycerol asparagin agar base M361, tzv. GA médium; ISP médium č. 6, peptone yeast extract iron agar M361, tzv. PYE médium). Pro potřeby zjištění vzhledu kolonií rodu Streptomyces byl použit čistý sbírkový kmen Streptomyces sp. CCM 3005. Při kultivaci na médiu AKE a 22 °C má kolonie ucelenější a kompaktnější vzhled, na povrchu jsou matné; při kultivaci na 36 °C jsou kolonie více rozplizlé a plísňovitého vzhledu. Na médiu SM (masový extrakt, pepton a glukóza) jsou kolonie streptomycet zářivé a tvoří soustředěné kružnice, na povrchu jsou matné. Na médiu B (kvasničný a masový extrakt, dextróza) jsou kolonie na povrchu matné, mají vyvýšený okraj. Na médiu S (kvasničný extrakt, dextróza a škrob) jsou kolonie zářivé a tvoří soustředěné kružnice, na povrchu matné. Na médiu PYE (kvasničný extrakt, pepton) jsou kolonie mírně vlhké a plísňovitého vzhledu. Na médiu ISP (ovesná mouka, železo, a zinek) jsou kolonie matně bílé, jejich okraj je zarostlý do média. Na médiu GA (glycerol a asparagin) jsou kolonie zarostlé do média, mají mírný okraj a plísňovitý vzhled. Vybraná živná média jsou založena na obdobném nutričním základu, základního zdroje uhlíku a dusíku, v některých případech jsou doplněny stopové prvky. Z provedených kultivačních stanovení (kvantitativní a kvalitativní stanovení) se jako velmi perspektivní a v praxi využitelné jeví média SM, B a v některých případech i médium S (viz obr. 1). Další média, zde PYE, ISP a GA jsou vhodná spíše pro případy izolací a udržování streptomycet a aktinomycet v kulturách [6, 7].

S médium

B médium

SM médium

Obr. 1. Vzhled a morfologie kolonií streptomycet na zkoušených médiích

4. Výsledky případových studií a monitoringu

Organoleptickou závadu nezjistíme průkazně z výsledků pravidelně prováděných mikrobiologických rozborů stanovených legislativním požadavkem vyhl. č. 252/2004 Sb. v platném znění. Projev organoleptické závady nás vždy překvapí svým projevem, sice krátkodobě ale přesto razantně, hledání původce a příčiny projevu je v mnoha případech ne vždy uspokojivě vyřešeným problémem. Lze říci, že správně a detailně prováděné mikroskopické rozbory dle ČSN 75 7712 mohou být použity jako určitý nástroj nastavení meze/limitu, od kterého by měl být provozovatel ostražitý a významně sledovat situaci na zdroji tak, aby včas zasáhl v technologii úpravy vody. Výsledky mikroskopického rozboru lze, do jisté míry, využít jako případnou predikci stavu, že v brzké době je možné očekávat zvýšený přísun geosminu a 2-MIB do vody. Po gradaci produkce těchto látek dochází k útlumu v mikrobiální aktivitě. Tento stav přibližně trvá 4 týdny (s ohledem na charakter sezóny). Jistým přiblížením je např. vykazovat abundanci organismů v počtech buněk, které lze velmi jednoduchým způsobem převést na objemovou biomasu. Takto je možné se reálněji přiblížit k případné predikci obsahu geosminu a 2-MIB ve vodách, protože velikost objemové biomasy souvisí s aktivitou jí degradujících mikroorganismů. Koncentrace chlorofylu-a, používána při monitoringu trofie vody, není reálným ukazatelem problému, což jsme měli možnost při našem monitoringu zjistit [5, 6].

Z našeho sledování se potvrzuje víceméně hypotéza, že vyšší koncentrace geosminu nemusí být zjištěna v případě vod s vyšším zastoupením indikátorů fekálního znečištění (zde koliformní bakterie a E. coli), jsou možné i další možné prediktory zvýšené koncentrace geosminu. Naše sledování a námi prováděný monitoring přináší další zjištění a doplnění informací, že při vyšším zastoupení koliformních bakterií ve vodách eutrofního typu (abundantní fytoplankton) je možné očekávat ve vegetačním období narůstající trend koncentrace geosminu, ale současně je zapotřebí do monitoringu zahrnout i sledování přítomnosti streptomycet (aktinomycet), které se prokázaly v některých hodnocených vzorcích jako klíčové v případné produkci geosminu. Rozhodně tak by bylo i vhodné posílení sledovaných mikrobiologických ukazatelů kvality vody, provádění stanovení koliformních bakterií ve vhodném nominálním objemu, neomezovat se pouze na termotolerantní koliformní bakterie (v 1 ml).

Mikrobiologickými rozbory byla zjištěna přítomnost nokardioformních aktinomycet, streptomycet a myxobakterií ve vzorcích vody odebraných ze všech hodnocených lokalit povrchových zdrojů, a to v nezanedbatelných počtech. Výsledky mikrobiologických rozborů, zaměřených na jednoduchou a snadnou proveditelnou detekci streptomycet, poskytují mnoho informací. Obecně u kolonií streptomycet v průběhu řešení projektu byla zachycena určitá variabilita v jejich vzhledu (velikost, zabarvení, vrůstání do média a přerůstání jinými mikroorganismy). Pokud jsou streptomycety (aktinomycety) přítomny, projeví se růstem kolonií i na médiu, které je v laboratořích klasicky používáno pro detekci kultivovatelných mikroorganismů dle ČSN EN ISO 6222 (agar s kvasničným extraktem).

Bohužel zjištěný počet vykultivovaných kolonií není možné korelovat s případně stanovenou koncentrací geosminu, ale je možné predikovat případný masivnější nárůst. Klasické a abundantní kolonie streptomycet se zcela typicky vyskytují na značně nutričně úživných médiích, která byla při řešení tohoto projektu použita, a při vhodně zvoleném aplikovaném objemu vzorku a teplotě kultivace je možné tento postup kultivace použít, jako paralelní, k uzančně v laboratoři používané metodě (v případě potřeby). Z našeho sledování je možné uvést případnou korelaci mezi počtem KTJ zachycených a kultivačně stanovených bakterií a analýzou geosminu a 2-MIB. Je jistý vztah mezi počtem vykultivovaných kolonií na médiu v počtech do 50 KTJ/ml a koncentrací geosminu v rozpětí 5 až 10 ng‧l⁻¹ (koncentrace 2-MIB je na úrovni 2 ng‧l⁻¹). Opakovaně se z našeho monitoringu prokazuje jako varovnou mezí a signálem k zásahu v technologii už koncentrace geosminu 5 ng‧l⁻¹.

5. Závěry

Problematika organoleptických závad ve vodárenství je dlouhodobě řešenou, proto má optimalizace provozu úpravy vody v praxi mnoho dobrých a uspokojivých řešení. I přes znalost problému nás organoleptické závady nemile a někdy i neočekávaně překvapí. Naším cílem je, hlavně v době, kdy se uplatňují zásady rizik a rizikové analýzy ve vodárenství, tuto problematiku správně uchopit a s určitým rizikem jejího projevu počítat, anebo ji vhodně i predikovat. Při predikci a monitoringu nemusíme být zrovna skeptičtí v tom, že jsme omezeni pouze na biologické nástroje, kterými je přítomnost a počet organismů (jedinců), anebo přítomnost organotrofních bakterií a indikátorů fekálního znečištění.

Data, která poskytuje monitoring, je v zásadě potřeba vhodně uchopit a patřičně na ně zareagovat. Když máme k dispozici data z výsledků z pravidelně prováděných mikroskopických rozborů a z historie víme, že při určitém počtu jedinců v 1 ml (určitého druhu organismu) došlo k projevu organoleptické závady a současně máme i výsledky stanovení koncentrace geosminu a 2-MIB, pak můžeme tzv. od mikroskopu řídit predikci toho, co se bude v technologii dít. Můžeme si stanovit mez počtu jedinců v 1 ml, která bude pro nás mezí varovnou, my budeme obezřetní, zvýšíme četnost sledování a technolog na provozované úpravně vody včas zareaguje (doplnění vrstvy aktivního uhlí, změna režimu praní apod.).

Jelikož se nám potvrzuje, že aktivita bakterií, které výrazně odpovídají za produkci geosminu a 2-MIB se projevuje tam, kde je určitá doba zdržení a významný přísun živin, je žádoucí eliminovat biofilmy v technologii i na trase v distribučních sítích. Streptomycety mají totiž jednu vlastnost, tzv. Quorum sensing, tj. určité fyziologické vnímání koncentrace přítomných buněk. Bakterie čekají na vhodnou příležitost, a když se namnoží na určitou koncentraci, projeví se organoleptickou závadou. Tato skutečnost byla v literatuře popsána, proto, když o ní víme, můžeme její projevy minimalizovat a eliminovat optimalizací provozu vodárenské soustavy.

Z praxe jsou známy případy zvýšené heterotrofní aktivity mikroorganismů přítomných v systému, a hlavně biofilmů, jejichž tenká povrchová vrstva (struktura) se vlivem turbulence a proudění vody v rozvodném systému naruší a je vyplavována do pitné vody. Často je produkce geosminu a 2-MIB doprovázena při změně technologie a vodárenských procesů, při úpravě povrchu vnitřního smáčeného pláště potrubí, kdy se degradují již vytvořené biofilmy následně zodpovědné za zápach. Z této informace se nabízí vhodné řešení a uchopení problému ze strany provozovatele, a to včasné vyčištění distribučního systému včetně vodojemů a dalších rizikových míst na provozované síti. Jedině tak se může významně předejít kumulaci biomasy a významnému projevu organoleptické závady.

Poděkování

Příspěvek vznikl za velmi významné finanční podpory vodárenských organizací, Vodohospodářské společnosti Sokolov, s. r. o. a SčVK, a.s. a firmy ENVI-PUR, s.r.o., která se podílela na zajištění vzorků z provozu Rokycany (ÚV Strašice).

Použitá literatura

1. Říhová Ambrožová, J. 2016. Organoleptické závady pitné vyvolané přítomností geosminu a 2-MIB v surových vodách. SOVAK 2016, 25(10), 6/258–9/261.
2. Munzar T., Říhová Ambrožová J., Kosina J. 2017. Geosmin a 2-MIB: Častí původci organoleptických závad pitné vody. Sborník konference Vodárenská biologie 2017, Praha 1.–2. 2. 2017, 34–39.
3. Wnorowski, A. U. 1992. Tastes and odours in the aquatic environment: A review. Water SA 18:203–214.
4. Report as of FY2007 for 2007AR164B. Source of geosmin and MIB in drinking water: Identifying the source and mechanisms of taste and odor compounds at Beaver Reservoir, northwest Arkansas.
   https://arkansas-water-center.uark.edu/publications/annual-reports-104b/MSC102.2007AnnualReport.pdf [on line: staženo 22. 7. 2019].
5. Munzar T., Říhová Ambrožová J., Vejmelková D., Kosina J., Hrušková P., Brabenec T., 2018. Možnosti monitoringu a detekce producentů geosminu a 2-MIB. Sborník konference VODA ZLÍN 2018, 15.–16. 3., 141–146.
6. Říhová Ambrožová J., Munzar T., Vejmelková D., Kosina J., Hrušková P., Brabenec T., Říha J. 2018. Případová studie za účelem monitoringu původců organoleptických závad. Vodní hospodářství 68 (5), 16–197.
7. Munzar T., Říhová Ambrožová J., Vejmelková D. 2018. Problém zvaný organoleptické závady aneb co vše víme o geosminu a 2-MIB. Vodohospodársky spravodajca 62 (11–12), 15–17.