Микробиологическое загрязнение централизованного водоснабжения Беларуси

Основным источником централизованного водоснабжения населения Беларуси являются подземные воды, лишь в Минске, для питьевого водоснабжения частично используется вода из поверхностных источников.

Вода подземных источников, являясь высококачественной в санитарно-бактериологическом отношении, содержит определенное количество микроорганизмов, которые не могут быть определены стандартными методиками.

Данные микроорганизмы, не представляя прямой опасности для человека, развиваются в системах водоснабжения и играют активную роль в ухудшении качества воды, ускорении процессов коррозии, образовании обрастаний в системе, что неблагоприятно сказывается на ее техническом состоянии и эксплуатационных характеристиках.

Наиболее типичными представителями микрофлоры подземных вод являются железобактерии.

Сегодня железобактерии не рассматриваются как отдельная таксономическая единица. Это физиологическое, экологическое понятие, которое объединяет микроорганизмы, отлагающие на своих поверхностях окислы железа и (или) образующие оформленные осадки железа. К группе железобактерий относятся организмы, принадлежащие к различным систематическим единицам: нитчатые бактерии, флексибактерии, одноклеточные бактерии из разных таксономических групп, микоплазмы, цианобактерии и др. Можно считать установленным, что практически все исследованные чистые культуры известных видов железобактерий обладают гетеротрофным типом обмена, и окисление закисного железа не служит источником энергии для целей ассимиляции углекислоты. Исключение составляет лишь ряд облигатно-ацидофильных бактерий, характеризуемых автотрофным типом метаболизма. Однако их местообитание ограничено подземными волами сульфидных месторождений кислыми водами железистых источников (рН< 4,5), и, соответственно, отношения к питьевым подземным водам не имеет.

Состояние железа в водных растворах зависит, прежде всего, от концентрации водородных ионов и растворенного кислорода, что описывается диаграммами полей устойчивости в координатах E_h-pH.В соответствии с областью устойчивости Fe²⁺ в системе координат E_h-pH железобактерии подразделяются на три большие группы:

• а) ацидофильныехемолитотрофы высокое значение E_h; низкий pH (например, Thiobacillusferooxidans);
• б) микроаэрофильные хемолитотрофы и органотрофы умеренные значения E_h; pH, близкий к нейтральному (например, Leptothrix, Crenothrix, Gallionella);
• в) хемоорганотрофы, разрушающие железоорганические соединения высокое значение E_h; нейтральныйpH (например, Siderocapsa-Arthrobacter).

Подземные воды характеризуются pH, близким к нейтральному, поэтому в качестве микробиологических агентов систем водоснабжения выступают, как правило, представители двух последних групп, что находит подтверждение у ряда исследователей. Вчастности, в системах водоснабжения были обнаружены представители родов: Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Siderocapsa.

Gallionella является типичным представителем одноклеточных железобактерий. Бактерии этого рода представляют собой слегка изогнутые бобовидные клетки. От вогнутой стороны клетки отходят длинные переплетенные «стебельки», которые хорошо различимы в микроскоп. Общая длина стебелька может достигать 1000 мкм. В состав стебелька входит железо в аморфном состоянии и органическое вещество. Более 90% от сухой массы организма приходится на окисное железо. По сравнению со стебельком сама клетка очень мала, ее размеры 0,50,6×1,21,5 мкм, именно по этой причине клетка Gallionella долго оставалась незамеченной исследователями. В настоящее время установлено, что Gallionella не имеют клеточной стенки и представляют собой сапрофитные микоплазмы.

Leptothrix-нитчатый микроорганизм. Наиболее распространенный вид данного рода L. ochracea. Окисляя закисное железо, он выделяет гидроокись железа, которая откладывается на поверхности клеток. При этом образуется типичный слизистый чехол, который препятствует сообщению клеток с внешней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покидают его. Освободившиеся клетки имеют жгутики и поэтому подвижны. Покинув старый чехол, они приступают к выработке нового. Чехол L. ochraceae имеет форму цилиндра, диаметр которого постоянен на всем протяжении. Внутренний диаметр трубки 1 мкм, наружный 23 мкм. Нити L. ochraceae никогда не ветвятся.

Для Crenothrix характерны коническая форма чехла и прикрепление к субстрату узким концом. Железо откладывается только у основания. Длина нитей Crenothrix достигает 3 мм, ширина у основания составляет 1,55,0 мкм, а у верхнего конца 69 мкм. Клетки Crenothrix размножаются не только поперечным, но и продольным делением, поэтому у открытого конца чехла образуется несколько параллельных рядов.

Различные виды рода Siderocapsa в таксономическом отношении принадлежат к коринебактериям рода Arthrobacter и характеризуются большой морфологической вариабельностью, обусловленной возрастом и условиями культивирования. Чаше обнаруживаются кокки или короткие палочки, погруженные в различном количестве в капсулу, окруженную желтыми или коричневыми отложениями, содержащими железо или марганец. биологический микроорганизм железобактерия Механизмы окисления железа рассмотренными выше организмами весьма разнообразны. Например, Gallionella способна расти на минеральной среде без органических веществ и в процесса окисления закисного железа получать энергию. Выход энергии у Gallionella настолько мал, что для синтеза 1 г клеток микроорганизмов необходимо выделить 500 г гидроокиси железа. У представителей рода Leptothrix окисление железа связано с действием перекиси водорода, выделяющейся в метаболических процессах при окислении органических веществ. Отложение окислов железа на поверхности клеточных структур в чехлах происходит в результате взаимодействия перекиси водорода с ионами Fe. Таким образом, закисные соединения железа в среде необходимы клеткам для ликвидации токсичного продукта метаболизма перекиси водорода, который ингибирует их рост. Деятельность Siderocapsa Arthrobacter связывают с окислением железа в результате разложения его органо-минеральных комплексов, например соединений с гумусовыми веществами.

Единый взгляд на наиболее распространенные формы железобактерий в системах отсутствует. Одни авторы указывают на Gallionella, другие на нитчатые организмы Crenothrix, Leptothrix, третьи на кокковые формы Siderocapsa. Данный факт можно связать с химическим составом воды и условиями эксплуатации систем водоснабжения.

Кроме указанных выше организмов, из систем водоснабжения выделены нитчатые зооглейные микроорганизмы Sphaerotilusdichotomus, различные виды Sideromonas, представители родов Pseudomonas, Aeromonas, Alcaligenes, Acineto-bacter, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Nocardia, Sphingomonas, Agrobacter, денитрификаторы, сульфатредуцирующие микроорганизмы. Имеются данные о выделении из биоценозов обрастаний грибов Cladosporium, Phoma, Alternaria, Exophiala, Aspergillus, Penicillium, Cephalosporum.

Появление микроорганизмов в системе водоснабжения обусловлено различными путями поступления. Первый из них непосредственно сам источник водоснабжения. Например, железобактерии обнаружены практически во всех исследуемых водозаборных скважинах. Из источников водоснабжения выделены также сульфатредуцирующие микроорганизмы и ряд других.

Вообще, в подземных водах, не содержащих бактерий, вырастающих в колонии на стандартной питательной среде (например, МПА) в объемах 1 мл и более, микроскопически обнаруживаются сотни и тысячи бактериальных клеток. Это объясняется тем, что питательные среды, применяемые для микробиологических анализов питьевой воды, отличаются высокими концентрациями органических веществ, т. е. являются элективными для определенной группы микроорганизмов. Большинство же водных бактерий олиготрофы, растущие при наличии органического вещества 0,1% и ниже. Таким образом, применение утверждённых методик не позволяет получить достаточно полной картины микробного состава питьевой воды.

На стадии водоподготовки возможно проникновение микроорганизмов в систему водоснабжения из воздуха: через открытую поверхность фильтров станций обезжелезивания и в результате отсутствия необходимой герметичности резервуаров чистой воды. В условиях применения периодического обеззараживания важно производить его при полностью заполненных резервуарах чистой воды. Это предотвратит вынос в водопроводную сеть микроорганизмов, адсорбированных на стенках резервуара выше уровня воды при проведении обеззараживания и, соответственно, не подвергшихся воздействию дезинфектанта.

Вследствие наличия неплотностей в стыковых и фланцевых соединениях трубопроводов, неравномерностей работы водопроводной сети (появления участков с отрицательным давлением), несоблюдения технологических регламентов проведения ремонтных работ (ликвидация повреждений сети) возможно проникновение микроорганизмов из почвы. В данной ситуации, в систему водоснабжения теоретически могут попасть любые микроорганизмы биоценоза почвы, поэтому правильная эксплуатация водопроводной сети является весьма важной задачей.

Многие микроорганизмы, развивающиеся в системах водоснабжения, не представляя прямой эпидемиологической опасности для человека, оказывают большое влияние на работу системы.

Существуют следующие типы биологических помех:

ухудшение качества воду по органолептическим показателям;

загрязнение воды микроорганизмами биопленки;

возникновение зон с повышенной концентрацией биомассы и, как следствие, появление и развитие эпидемиологически опасных организмов патогенных бактерий, грибов, простейших, паразитов, а также вирусов;

увеличение хлорпоглошаемости воды, образование высокотоксичных веществ в результате дезинфекции;

сужение поперечного сечения трубопроводов, повышение гидравлического сопротивления, рост энергетических затрат;

биокоррозия.

Железобактерии, попадая из источника в систему водоснабжения, закрепляются на внутренней поверхности водопроводов и другого оборудования. Закрепившись на стенке трубопровода, железобактерии размножаются, формируя биопленку. Бедность субстрата (низкая концентрация органических веществ, биогенных элементов и восстановленных соединений железа) компенсируется условиями протока. Как указывалось выше, клетки, окисляя закисное железо, образуют гидроокись железа, которая откладывается на их поверхности. Даже при незначительном количестве в воде железа (менее 0,3 мг/л) клетки микроорганизмов активно аккумулируют его. Таким образом, на поверхности трубопровода появляются участки, покрытые обильными охристыми отложениями, образованными биогенным путем. В условиях возникновения в водопроводной сети резких изменений давления и, соответственно, скоростей течения воды, а также знакопеременных потоков, охристые отложения с внутренней поверхности трубы срываются, и вода приобретает «ржавый» цвет.

Если же гидравлический режим работы водопроводной сети достаточно равномерный, охристые отложения минерализуются, образуя на внутренней стенке трубы плотные бугристые отложения, которые с течением времени могут сужать поперечное сечение водопроводной сети, что, в свою очередь, приводит к росту давления и увеличению энергетических затрат на водоснабжение объектов.

В биопленках, образованных на поверхностях оборудования систем водоснабжения железобактериями, могут активно размножаться другие микроорганизмы. Наиболее часто, особенно в тупиковых участках сетей водопроводах, в условиях анаэробиоза, выделяют сульфатредуцирующие микроорганизмы. Наличие в системе сульфатредукторов обуславливает появление сероводородного запаха, а при взаимодействии с железом образование сульфида железа, который имеет черный цвет. Присутствие в воде посторонних запахов связывают также с развитием в биопленках актиномицетов.

Возникновение зон с повышенной концентрацией биомассы способствует появлению и развитию эпидемиологически опасных организмов патогенных бактерий, грибов, простейших, паразитов, а также вирусов.

Известно, что бактерии в форме биопленок переносят значительно большую концентрацию биоцидов (более чем в два раза) по сравнению с планктонными клетками и для их уничтожения необходимо более длительное время воздействия. Показано, что хлор проникает в биопленку не полностью, так что некоторые зоны оказываются не хлорированными. Монохлорамин и перекись водорода оказывают по сравнению с хлором лучшее дезинфицирующее действие на организмы биопленок. Даже при концентрации свободного хлора в воде до 4 мг/л и времени воздействия 8 часов на обрабатываемой поверхности сохраняется до 20% организмов биопленок. Интересен тот факт, что в результате применения окислительных биоцидов, какими являются хлор или озон, происходит частичное разрушение биопленок, образуются низкомолекулярные органические соединения, т. е. среда обогащается питательными веществами, что, в свою очередь, способствует дальнейшему активному микробному росту. При взаимодействии хлора с органическими веществами биопленок возможно так же образование соединений, обладающих канцерогенными свойствами.

С деятельностью микроорганизмов связывают коррозионные повреждения трубопроводов. Механизмы микробиологической коррозии могут быть различными. Протекая на поверхности материалов, коррозионные процессы зависят от физико-химических условий в приповерхностном слое. На интенсивность течения коррозии оказывают влияние pH, концентрация кислорода, окислительно-восстановительный потенциал, а также концентрация некоторых соединений. Поскольку биопленки располагаются непосредственно на поверхности материала, указанные параметры в приграничном слое будут определенно отличаться от таковых в водной фазе. Таким образом, биопленки на поверхности материала могут оказывать заметное влияние на кинетику коррозионного процесса.

Различают аэробный и анаэробный виды коррозии. Основные возбудители аэробной коррозиитионовые, нитрифицирующие бактерии и железобактерии.

В результате жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий создаются агрессивные коррозионные среды за счет накопления серной и азотной кислот конечных продуктов их метаболизма.

Коррозионную активность железобактерий связывают с кислородной деполяризацией ими участка металла и образованием дифференцированно аэрируемых ячеек. Сущность механизма коррозии состоит в том, что участки, трубопровода, не подвергшиеся обрастанию железобактериями, омываются водой, содержащей кислород, и, следовательно, хорошо вентилируются, а поверхность трубы, находящаяся под охристыми отложениями (колониями железобактерий), не омывается водой и поэтому аэрируется слабее. Таким образом, благодаря росту железобактерий на поверхности внутренней стенки трубы создаются дифференцированно аэрируемые ячейки, в которых вентилируемые участки имеют более высокий потенциал и функционируют как катод; менее аэрируемые, подвергшиеся обрастанию, действуют как анод. В анодной зоне металлическое железо растворяется в соответствии с уравнением:

Fe = Fe²⁺ + 2е Именно поэтому после механического разрушения минерализованных охристых отложений под ними можно обнаружить коррозионные повреждения материала труб. Очевидно, что в коррозионной деятельности железобактерий немаловажна также их каталазная активность и увеличение скорости коррозии за счет продукта метаболизма перекиси водорода.

Основными возбудителями анаэробной коррозии являются сульфатредуцируюшие бактерии, ответственные за восстановление сульфатов до сероводорода. В данном случае интенсивно идут следующие реакции: металл, связываясь с сульфид-ионом (продуктом метаболизма), ослабляет перенапряжение концентрации ионов металла в приэлектродном слое; сульфатредуцируюшие бактерии, снижая перенапряжение Н₂ в приэлектродном слое, ускоряют реакцию. Суммарный процесс двух реакций обеспечивает ускорение коррозии по сравнению с химической сероводородной коррозией (без участия сульфатредуцирующих бактерий) в десятки и сотни раз, т. е. сульфатредукторы ускоряют коррозию в анаэробной зоне за счет утилизации водорода катода с помощью гидрогеназной системы.