Kolonizace vodovodních potrubí v závislosti na teplotě a materiálu - laboratorní studie

V období března až června roku 2005 jsem v rámci stáže na Dánské technické univerzitě v Lyngby/Kodaň prováděl výzkum vlivu potrubního materiálu a rozdílných teplot na kolonizaci segmentů vodovodních potrubí. Tento experiment byl součástí rozsáhlého vědeckého projektu jehož cílem je mj. rozšíření znalostí a další výzkum působení různých druhů potrubních materiálů na mikrobiologické osídlení vodovodních rozvodů a ostatních prvků distribučních soustav. Projekt je financován z veřejných, ale i korporátních zdrojů, jmenujme např. firmy GRUNDFOS či NORDISK WAVIN.

Cílem tohoto experimentu bylo sledování dynamiky rozvoje a rozsah mikrobiální populace v planktonní fázi v podmínkách simulujících málo používané větve vodovodních rozvodů, tzv. slepá ramena. Ty jsou, jak známo, vhodným prostředím pro rychlý růst a pomnožení baktérií, v některých případech i potenciálně patogenních, např. legionel či pseudomonád, a tak mohou negativně ovlivnit zdravotní stav spotřebitele.

V experimentu byly použity segmenty vodovodních potrubí vyjmutých z běžných distribučních rozvodů studené (PWC) i teplé vody (PWH), které byly v provozu i několik desítek let. Tyto segmenty dokonale posloužily účelu simulace procesů probíhajících v distribučních rozvodech, tedy v potrubích s vytvořenými úsadami, inkrustami, biofilmem atd. Zároveň byly eliminovány krátkodobé, počáteční vlastnosti materiálů, které se vytvořením úsad a různých pasivačních vrstev na vnitřních stěnách potrubí postupně eliminují. Mluvíme například o toxickém účinku do vody vylouhované mědi, či naopak růst podporujících organických polymerů, které mohou migrovat do vody z povrchu plastových materiálů. Řada experimentů ukázala bakteriocidní vliv měděného potrubí na osídlení mikroflórou v průběhu prvních 400-700 dní provozu a zároveň vyšší růst mikroflóry v plastových potrubích, ale tento jev je stále diskutován a často vyvracen.

V experimentu byly použity segmenty starého potrubí o objemu 200 ml, z pozinkované oceli (GS), ze síťovaného polyethylenu (PEX), měděné potrubí (Cu) a nové potrubí dodané přímo výrobcem, středně-hustotní polyethylen (PEM). Dvě uzavřené, skleněné, sterilní láhve byly inkubovány společně s potrubími a sloužily při vyhodnocování výsledků jako ukazatel vlivu materiálu na míru pomnožení bakterií ve vodní fázi. Potrubí, vždy dva kusy od každého materiálu, byly uloženy po dobu téměř 60 dnů v temperovaných místnostech. Sada potrubí naplněná nedesinfikovanou studenou pitnou vodou (PWC) byla uložena v místnosti o teplotě 15°C, druhá sada potrubí naplněná nedesinfikovanou teplou vodou z místního distribučního systému (PWH) byla uložena v místnosti o teplotě 35°C. Vzorky vodní fáze byly odebírány každých 3-5 dní a odebraný objem byl vždy doplněn čerstvou vodou. Po 32, 40 a 56 dnech inkubace byla provedena kompletní výměna vody v segmentech. Odebrané vzorky byly zpracovávány v mikrobiologické laboratoři využitím standardních kultivačních metod. Vzorky byly kultivovány po dobu 7 dní na R₂A agaru.

Z následujících grafů je patrné, že jednotlivé materiály se od sebe navzájem liší mírou podpory pomnožení mikroorganismů, respektive je patrný rozdílný trend osídlení segmentů potrubí v závislosti na materiálu. Uvažujme hodnoty KTJ z kontrolních lahví jako základní počet bakterií/kolonií, které byly při zahájení experimentu do potrubí vneseny s napouštěcí vodou a jsou schopny v oligotrofním prostředí vody přežívat a pomnožovat se.

V případě vzorků PWC o teplotě 15°C vidíme, že postupem času docházelo k pozvolnému vyrovnání počtu baktérií ve všech materiálech. Větší počáteční rozdíly v osídlení jednotlivých segmentů byly způsobeny kompeticí mezi přirozenou vodní mikroflórou nově vnesenou a původní mikroflórou usídlenou v testovaných segmentech potrubí, kdy z hlediska biotických podmínek postupně docházelo k vytvoření rovnovážného stavu. Po ukončení tohoto pre-inkubačního období (32 dní), již byly rozdíly v KTJ/ml minimální, v rozsahu jednoho řádu. Tento stav je zvláště patrný na výsledcích posledního vzorkování vodní fáze po 58 dnech trvání experimentu. Dynamický nárůst počtu mikroorganismů při výměně vody v potrubí (po 32 a 40 dnech), do pro každý materiál určitých limitních hodnot, ukazuje na existenci jakéhosi rovnovážného stavu, při kterém je dané množství mikroorganismů schopno existovat s dostupným množstvím živin. Důvodem vyšších hodnot KTJ/ml ve všech materiálech v porovnání s počtem kolonií ve skleněných kontrolních láhvích jsou vytvořené úsady a biofilmy na vnitřním povrchu potrubí, které poskytují dostatek živin pro přežívání a pomnožení mikroorganismů. Nejvyšší počty životaschopných bakterií byly po celou dobu experimentu detekovány v plastových potrubích. Dle dosažených výsledků můžeme tedy konstatovat, že volba konstrukčního materiálu vodovodních rozvodů PWC není v delším časovém období provozu systému rozhodujícím faktorem ovlivňujícím kolonizaci systému běžnou mikroflórou.

Graf 1 - Počet heterotrofních bakterií v potrubích při teplotě 15°C
(pro přehlednost grafu: křivky vyjadřují průměr z obou reprezentantů materiálu)

Počty heterotrofních bakterií v potrubích při teplotě 35°C byly ve všech případech materiálů vyšší v porovnání s počty KTJ/ml při 15°C. Také rozdíly v kolonizaci jednotlivých segmentů potrubí byly vyšší. Nejvyšší počty mikroorganismů byly detekovány opět v plastových potrubích, následovány pozinkovaným potrubím. V průběhu experimentu byl sledován klesající trend počtu bakterií v měděném potrubí, kdy od 45. dne byly naměřené hodnoty dokonce nižší než v kontrolních láhvích. Tento stav, kdy je počet životaschopných mikroorganismů v oligotrofním prostředí skleněných láhví vyšší než v prostředí s určitým i když omezeným přísunem živin z aktivního biofilmu a úsad, lze vysvětlit negativním až biocidním působením mědi na životaschopnost sensitivnějších mikroorganismů. Tato hypotéza byla potvrzena i analýzou obsahu Cu ve vodě. V průběhu 10 dní došlo ke zvýšení obsahu Cu v potrubích z mědi z původní hodnoty 0,06 na 0,39 mg/ml, avšak pouze v případě PWH. Tak vysoký nárůst nebyl u PWC vzorků zjištěn. Tento výsledek by snad ukazoval na jednoznačné doporučení instalace měděných rozvodů, ale jak víme, distribuční vodovodní systém bez mikrobiální kolonizace je věcí souhry technických a provozních faktorů.

Graf 2 - Počet heterotrofních bakterií v potrubích při teplotě 35°C
(pro přehlednost grafu: křivky vyjadřují průměr z obou reprezentantů materiálu)

Závěr

Cílem tohoto experimentu nebylo stanovení nejvhodnějšího materiálu pro instalaci vodovodních rozvodů, ale spíše si ověřit, za řízených a kontrolovaných podmínek, řadu informací a zkušeností získaných z dlouholetého působení v oblasti řešení mikrobiologické kolonizace vodovodních systémů rozsáhlých budov. V praxi se neustále potkáváme s mikrobiální kontaminací distribučních systémů, např. legionelou, kde právě slepá, či málo používaná ramena distribuce slouží jako biologické inkubátory pro kolonizaci celého systému. Experiment prokázal, že v těchto slepých ramenech probíhají velice aktivní biologické procesy. Pokud uvážíme nárůst počtu baktérií/kolonií z 100 na 100000 KTJ/ml během pěti dnů, připočítáme tvorbu biofilmu a uvědomíme si množství biologické masy, která se stále vytváří (odumřelá těla mikroorganismů) a slouží jako zdroj živin pro další pomnožení mikroorganismů, pak stojíme před nelehkým úkolem při eliminaci mikrobiální kolonizace distribučních systémů. Provedením tohoto experimentu byla částečně zodpovězena snad věčná otázka provozovatelů distribučních systémů: "Vyřeší se naše problémy s mikrobiální kolonizací výměnou materiálu distribučních rozvodů?" Dovolím si tvrdit, že ne. Řešením je dokonalá hydraulická a teplotní vyváženost systému, absence slepých a málo používaných ramen, pravidelná údržba zařízení a v neposlední řadě provozní kázeň. Samotná volba materiálu není všespasná. V průběhu provozu dochází ke změně hydraulických podmínek jak nezávisle, např. vytvářením inkrustů v pozinkovaných potrubích, stejně jako k tvorbě úsad v plastových potrubích, tak i cíleně, různým přepojováním, odpojováním ramen apod., v případě dodatečné instalace desinfekce dochází časem ke zvyšování resistence mikroorganismů proti biocidu a ta se stává neúčinnou atd.

S mikroorganismy, s tvorbou biofilmu, se bohužel musíme smířit, jde o to jak tento proces účinně regulovat.