Využitie biologických analýz vo vodárenstve

Veľká časť problémov vznikajúcich pri hospodárení s vodami má biologický pôvod. Preto súčasťou posudzovania a hodnotenia ich kvality musia byť aj biologické analýzy. Mikroskopické metódy podávajú rýchle informácie o biologickom oživení vody. Toxikologické testy na živých skúšobných organizmoch sa používajú pri hodnoteniach kvality vody a na zistenie prítomnosti látok epriaznivo ovplyvňujúcich život vo vodách. Kultivácia sa používa ako doplňujúca metóda pri izolácii organizmov schopných rásť a rozmnožovať sa na špeciálnych pôdach za vhodných podmienok. Moderné molekulárno-biologické metódy sa využívajú na presnú identifikáciu mikroorganizmov. Výsledky biologických analýz informujú o prítomnosti organizmov, ich množstve vo vodách, druhovom zložení, ich fyziologickom stave, o pôsobení chemických látok na živé organizmy a o ich schopnosti rozmnožovania.

Vyšetrovanie pitných vôd

Podľa zákona č. 355/2007 Z. z. o ochrane, podpore a rozvoji verejného zdravia nesmie pitná voda obsahovať žiadne mikroorganizmy, parazity a ani látky, ktoré predstavujú riziko ohrozenia zdravia ľudí akútnym, chronickým alebo neskorým pôsobením [1]. Z uvedeného vyplýva, že biologický prístup k otázkam hygieny pitných vôd je pri zabezpečení zdravotnej bezpečnosti veľmi dôležitý.

Biologické metódy vyšetrovania patria spolu s mikrobiologickými, fyzikálnymi a chemickými metódami medzi rozbory, ktoré slúžia na kontrolu kvality vôd určených na ľudskú spotrebu (pitných vôd), vrátane teplých úžitkových vôd. Mikroskopický rozbor pitnej vody podáva informáciu o prítomnosti, resp. neprítomnosti mikroorganizmov, o ich pôvode a dopĺňa ostatné typy rozborov.

Obr. 1 Počítacia komôrka Cyrus I

Podstatou všetkých biologických mikroskopických metód stanovenia biosestónu je kvalitatívne a kvantitatívne stanovenie mikroorganizmov vo vzorke vody podľa postupov v technických normách [2, 3, 4]. Princípom metód je homogenizácia a zahustenie väčšieho objemu vzorky vody centrifugovaním, úprava na objem 0,2 ml a prenos do počítacej komôrky Cyrus I (obr. 1). Mikroskopickým vyhodnotením sa zisťuje prítomnosť alebo absencia mikroorganizmov vo vzorke, v prípade pozitívneho nálezu sa stanoví počet prítomných organizmov (jedincov) na mililiter vzorky a ich taxonomické zaradenie. Podľa druhu a počtu identifikovaných organizmov sa zvolí vhodný postup ich kvantifikácie.

Biologickými ukazovateľmi kvality pitnej vody sú živé a mŕtve organizmy, vláknité baktérie, železité a mangánové baktérie a mikromycéty [5]. V pitných vodách hromadného alebo individuálneho zásobovania sa touto metodikou najčastejšie zistí prítomnosť bezfarebných bičíkovcov, spór alebo hýf, mikromycét, nálevníkov, alebo vírnikov (obr. 2). Prítomnosť týchto organizmov môže poukazovať na organické znečistenie, dôsledky rôznej ľudskej činnosti, kontamináciu odpadovými vodami, presakovanie povrchových vôd do studní a pod.

Obr. 2 Príklady organizmov v pitných a povrchových vodách – bezfarebné bičíkovce, vírniky, mikromycéty, železité a mangánové baktérie, riasy a cyanobaktérie

Okrem živej zložky – biosestónu sa v pitných vodách mikroskopicky stanovuje aj neživá zložka – abiosestón. Jeho zloženie a podiel vo vzorke dopĺňa informáciu o kvalite vody, prípadne o pôvode jej kontaminácie. Metodika úpravy vzorky sa zhoduje s metodikou pre stanovenie biosestónu, resp. sa oba ukazovatele môžu stanoviť súčasne. Výsledkom je pokryvnosť zorného poľa mikroskopu abiosestónom v percentách. Abiosestón býva najčastejšie tvorený drobnými časticami piesku, detritu, čiastočkami hrdze, produktami železitých a mangánových baktérií. Môžu v ňom byť prítomné kryštály minerálov, zrazeniny, peľové a škrobové zrná, prírodné alebo umelé vlákna, či prázdne schránky rozsievok a iných organizmov. Kvalitatívne zloženie abiosestónu môže napovedať o zanášaní rozvodných sietí, chemických vlastnostiach vody, nedostatočnom zabezpečení zdroja, alebo poľnohospodárskej kontaminácií.

Teplé úžitkové vody nie sú určené na pitie a varenie, ale podľa STN 83 0616 Kvalita teplej úžitkovej vody, musia v mikrobiologických a biologických ukazovateľoch spĺňať kvalitu pitnej vody [6]. V súvislosti s výskytom baktérie legionela a ochorením legionelóza je vhodné v nich, okrem ukazovateľov kvality pitnej vody, vyšetrovať aj améby. Améby (meňavky) sú mikroskopické jednobunkovce, ktoré sa pravidelne vyskytujú v potrubiach distribučného systému pitnej vody. Na vnútorných stranách rozvodových potrubí sú súčasťou tzv. biofilmu. Je to slizovitá matrica, v ktorej prežívajú aj baktérie, plesne alebo iné druhy prvokov. Améby majú aktívne pohyblivé štádium – trofozoity a pokojové štádium – cysty. Cysty dokážu prežiť nepriaznivé podmienky v prostredí a zároveň v cystách dokážu prežiť aj rôzne patogénne baktérie alebo vírusy. Považujú sa preto za hostiteľov aj prenášačov zdravotne významných patogénov, ako je napr. legionela, pôvodca vážneho zápalu pľúc u ľudí. Cysty améb sa z vody nedajú odstrániť bežne používanými dezinfekčnými prostriedkami.

Améby ako živé organizmy je možné vo vzorkách vôd zistiť mikroskopicky. Vzhľadom na nenápadnosť a veľkosť týchto organizmov sú však často prehliadané, najmä ak ich vo vzorke nie je veľa. Spoľahlivejšou metódou na stanovenie ich prítomnosti je kultivačná metóda, pri ktorej sa vzorky vôd kultivujú pri rôznych teplotách, v závislosti od ich pôvodu. Vzorky sú očkované na misky s agarovým médiom a špeciálne pripravenou bakteriálnou kultúrou, ktorá slúži amébam ako potrava. Po niekoľkodennej kultivácii v termostatoch sa mikroskopicky sleduje prítomnosť pohyblivých štádií alebo cýst améb (obr. 3).

Obr. 3 Améby – trofozoit a cysty

Polymerázová reťazová reakcia (angl. polymerase chain reaction, skratka PCR) je základná metóda molekulárnej biológie, ktorú možno využiť aj na detekciu potenciálnych patogénov človeka, napr. na stanovenie termotolerantných améb rodu Acanthamoeba a Naegleria fowleri vo vodách. Molekulárnu identifikáciu je možné použiť aj pri planktónových cyanobaktériách.

K vyšetreniu príčin porúch v studniach, vodárňach alebo rozvodnej sieti môžeme použiť ďalšie biologické metódy. Pri pitných vodách ide väčšinou o kvalitatívne metódy a na vyšetrenie môžeme používať vzorky sedimentov, nárastov, väčších organizmov, zoškrabov a pod. [7].

Vyšetrovanie povrchových vôd

Biologické analýzy sú vo vodárenstve využívané v procese výroby pitnej vody z povrchových zdrojov, pre kontrolu kvality surových vôd a v technologických rozboroch pri prevádzkovej kontrole kvality vody. V surových vodách sa podľa legislatívy vyšetrujú živé organizmy a pri technologických rozboroch všetky ukazovatele kvality pitnej vody [8]. S cieľom overiť účinnosť rôznych stupňov úpravy pri výrobe pitnej vody, je biologickými mikroskopickými metódami možné zistiť prítomnosť organizmov, ich schránok a častí tiel, ktoré mohli počas úpravy prejsť zo surovej vody. V súvislosti s účinnosťou stupňov úpravy má veľký význam posúdenie biologického stavu jednotlivých organizmov s využitím fluorescenčných techník pri mikroskopovaní. Pomocou správneho nastavenia a kombinácie filtrov je možné rozlíšiť živé a mŕtve organizmy obsahujúce chlorofyl-a, čiže zástupcov rias alebo cyanobaktérií.

V povrchových vodách určených na odber pre pitnú vodu sa biologickými metódami stanovujú producenty a konzumenty (obr. 2). Sleduje sa počet buniek producentov a počet jedincov konzumentov (živočíchov) v mililitri vody [9]. K producentom patria cyanobaktérie a riasy, pričom vo vodárenskom priemysle sú významné najmä cyanobaktérie. Ich premnoženie vo vodárenských nádržiach spôsobuje nielen technologické problémy pri výrobe pitnej vody, ale aj ohrozenie jej kvality v súvislosti s možným obsahom cyanotoxínov.

Posudzovanie kvality podzemných, povrchových a odpadových vôd môže byť postavené aj na metodike stanovenia sapróbneho indexu [10]. Systém saprobity je založený na princípe, že rôzne druhy organizmov majú rôzne optimálne podmienky pre život vo vode, s rôznym obsahom organických látok. Niektoré žijú len v takmer neznečistených vodách, iné druhy preferujú vody s vysokým organickým znečistením, niektoré dokážu tolerovať obe prostredia. Dobré biologické indikátory saprobity majú úzku sapróbnu valenciu, zlé indikátory majú sapróbnu valenciu širokú, pretože ich výskyt nie je ovplyvnený stupňom znečistenia vody. Chemické rozbory vystihujú len okamžitý stav kvality, ale biologické indikátory sú ukazovateľom dlhodobej kvality vody.

Podstatou stanovenia sapróbneho indexu je kvalitatívny a kvantitatívny hydrobiologický rozbor, správne určenie vyskytujúcich sa druhov a ich množstva vo vzorke, priradenie číselných indexov a prepočet na sapróbny index podľa metodiky v technickej norme [10]. K výpočtu je možné použiť výsledky stanovenia biosestónu, vločiek plávajúcich baktérií a húb, bentosu aj nárastov. Získaná hodnota sapróbneho indexu určí stupeň saprobity vyšetrovanej vody.

Ekotoxikologické skúšky

Skúšky ekotoxicity sú založené na princípe expozície živého organizmu v prostredí toxickej látky. Ide o pomerne rýchle nešpecifické metódy, ktorými sa zisťujú celkové toxické účinky všetkých prítomných látok vo vzorkách, avšak bez informácií o ich zložení a chemickej štruktúre. Pri monitoringu nebezpečných látok v životnom prostredí slúžia často ako signál k vykonaniu podrobnejších fyzikálno-chemických analýz.

Skúšky toxicity určujú kvalitatívne a kvantitatívne účinky látok za definovaných experimentálnych podmienok. Testovanie vzoriek sa vykonáva formou predbežných a základných skúšok. Predbežná skúška, označovaná aj ako orientačná, sa skladá z 5 až 10 koncentrácií. Základná skúška sa robí po orientačnej skúške a jej hlavným cieľom je stanovenie hľadaných toxikologických parametrov. Skladá sa rovnako z minimálne 5 a maximálne 10 koncentrácií v rozmedzí, ktoré vyplýva z orientačného testu. Výber musí zabezpečiť, aby sa aspoň u polovice vybraných koncentrácií prejavil na skúšobných organizmoch letálny alebo iný účinok. Skúšky toxicity sa musia vykonávať za presne definovaných podmienok (teplota kultivácie, doba expozície, osvetlenie, kŕmenie skúšobných organizmov, aerácia a pod.).

Akútna ekotoxicita sa stanovuje štandardizovanými metódami na úrovni producentov, konzumentov a deštruentov, t. j. minimálne na troch trofických úrovniach (deštruenty, konzumenty a producenty). Medzi základné štandardizované skúšky pre jednotlivé trofické úrovne patria (obr. 4):

• stanovenie inhibičného vplyvu vzoriek vody na svetelnú emisiu Vibrio fischeri (Photobacterium phosphoreum) [11] pre deštruenty,
• skúška akútnej toxicity na Thamnocephalus platyurus [12] pre konzumenty,
• skúška inhibície rastu sladkovodnej riasy Scenedesmus subspicatus (Chlorococcales – bunkové zelené riasy) [13], skúška inhibície rastu koreňa vyššej kultúrnej rastliny Sinapis alba (horčica biela) [14] alebo skúška inhibície rastu na Lemna minor (žaburinka) [15] pre producenty.

Obr. 4 Skúšky toxicity – skúšobné organizmy

Priame hodnotenie skúšok ekotoxicity vychádza z metodiky, pri ktorej je potrebné spočítať buď počet uhynutých organizmov alebo uhynutých a imobilizovaných organizmov, resp. meria sa dĺžka koreňa alebo sa meria bioluminiscencia a pod. Citlivosť skúšobných organizmov sa overuje pomocou testov s referenčnými látkami. Požadované toxikologické parametre sú vypočítané matematicko-štatistickými metódami, výsledkom môže byť percento účinku, EC50, IC50, LC50 a ďalšie parametre.

Ekotoxikologické skúšky je možné vo vodárenstve používať na zistenie prítomnosti nebezpečných látok vo vodách, napr. pri riešení premnoženia cyanobaktérií vo vodách, vzniku vedľajších produktov dezinfekcie (VPD), a tiež pri mimoriadnych situáciách, resp. bioterorizme. Cyanobaktérie (sinice) sú modro-zelené baktérie schopné produkovať cyanotoxíny. Vo vode sa môžu premnožiť, a preto pri výskyte tzv. vodného kvetu by mala kontrola kvality vôd zahŕňať v rámci stanovenia biologických ukazovateľov aj stanovenie akútnej ekotoxicity. Dezinfekcia chlórom a jeho zlúčeninami je najčastejším spôsobom zdravotného zabezpečovania kvality pitnej vody. Pridanie chlóru však spôsobuje aj celý rad reakcií s nežiaducimi účinkami, napr. vznik toxických vedľajších produktov, pachové a chuťové zmeny a iné. Identifikovaných je už viac ako 600 vedľajších produktov dezinfekcie (VPD), ktoré sú pri určitej koncentrácii a chronickej expozícii pre človeka nebezpečné. V spolupráci s vybranými vodárenskými spoločnosťami boli realizované projekty, ktoré využili ekotoxikologické skúšky ako skríningový nástroj na testovanie prítomnosti VPD vo vode. V rámci pripravenosti na vznik mimoriadnej alebo havarijnej situácie, resp. pri podozrení na chemické ohrozenie zdrojov pitnej vody alebo zásobovacieho systému je možné pre ochranu zdravia obyvateľstva využiť ekotoxikologické skúšanie vzoriek pitných vôd.

Záver

Vo všeobecnosti je možné konštatovať, že biologické analýzy predstavujú rýchly, lacný ale pritom spoľahlivý spôsob zisťovania kvality rôznych typov vôd. Aj napriek špecifickým požiadavkám na odbornosť pracovníkov vykonávajúcich tieto rozbory, ktorí musia nevyhnutné poznať množstvo organizmov a ich ekologické nároky, je výpovedná hodnota výsledkov vysoká a v praxi je z nich možné vyvodzovať komplexné závery. Preto je nevyhnutné, aby aj v budúcnosti boli biologické ukazovatele súčasťou legislatívy pre vyšetrovanie kvality vôd.

Literatúra

1. Zákon č. 355/2007 Z. z. o ochrane, podpore a rozvoji verejného zdravia a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov
2. STN 75 7711 Kvalita vody. Kvalita vody. Biologický rozbor. Stanovenie biosestónu. SÚTN Bratislava, 2000
3. STN 75 7712 Kvalita vody. Biologický rozbor. Stanovenie abiosestónu. SÚTN Bratislava, 2000
4. STN 75 7715 Kvalita vody. Biologický rozbor povrchovej vody. SÚTN Bratislava, 2008
5. Vyhláška MZ SR č. 247/2017 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o kvalite pitnej vody, kontrole kvality pitnej vody, programe monitorovania a manažmente rizík pri zásobovaní pitnou vodou v znení neskorších predpisov
6. STN 83 0616 Kvalita teplej úžitkovej vody, Úřad pro normalizaci a měření, Praha, 1987
7. Štěpánek, M. a kol.: Biologické metody vyšetřování vod ve zdravotnictví. Avicenum, Praha, 1982, s. 366–367
8. Vyhláška MŽP SR č. 636/2004 Z. z., ktorou sa ustanovujú požiadavky na kvalitu surovej vody a na sledovanie kvality vody vo verejných vodovodoch
9. Nariadenie vlády SR č. 269/2010 Z. z., ktorým sa ustanovujú požiadavky na dosiahnutie dobrého stavu vôd v znení neskorších predpisov
10. ČSN 75 7716 Jakost vod. Biologický rozbor. Stanovení saprobního indexu. Český normalizační institut, Praha, 1998
11. STN EN ISO 11348-2 Kvalita vody. Stanovenie inhibičného vplyvu vzoriek vody na svetelnú emisiu Vibrio fischeri (Skúška luminiscenčných baktérií). Časť 2: Metóda používajúca dehydratované baktérie. SÚTN Bratislava, 2019
12. STN ISO 14380 Kvalita vody. Stanovenie akútnej toxicity na Thamnocephalus platyurus (Crustacea, Anostraca). SÚTN Bratislava, 2013
13. STN EN ISO 8692 Kvalita vody. Skúška inhibície rastu sladkovodných rias s jednobunkovými zelenými riasami, SÚTN Bratislava, 2012
14. STN 83 8303 Skúšanie nebezpečných vlastností odpadov. Ekotoxicita. Skúšky akútnej toxicity na vodných organizmoch a skúšky inhibície rastu rias a vyšších kultúrnych rastlín, časť 10. SÚTN Bratislava, 1999
15. STN EN ISO 20079 Kvalita vody. Stanovenie toxického účinku zložiek vody a odpadovej vody na Lemna minor (žaburinku). Skúška inhibície rastu. SÚTN Bratislava, 2008