Problems during drinking water treatment of cyanobacterial-loaded surface waters : consequences for human health

Abstract

Ohne Wasser kein Leben. Der Mensch begnügt sich allerdings nicht mehr mit diesem einfachen Grundsatz. Das Trinkwasser muss bestimmten Kriterien entsprechen, zumindest schmackhaft aussehen und angenehm riechen. Cyanobakterien bzw. von diesen Organismen produzierte Metabolite erwiesen sich in den letzten Jahren als mögliche Verursacher gesundheitlicher Probleme beim Menschen. Probleme verursachen Cyanobakterien nicht nur aufgrund ihres meist unangenehmen Geruchs und der unerwünschten Färbung des Wassers. Von diesen Organismen produzierte toxische Sekundärmetaboliten stellen ein Risiko für die Gesundheit der mit dem entsprechend belasteten Trinkwasser versorgten Menschen dar. Die chemische Struktur und die damit verbundenen Eigenschaften dieser Toxine ist unterschiedlich und umfaßt u. a. Alkaloide (Saxitoxine, Anatoxin-a, Cylindrospermopsin) und Polypeptide (Microcystine, Nodularine), die negativen Einfluß auf verschiedene Organsysteme des Menschen haben können. Um das Risiko für die Menschen zu begrenzen, ist eine geeignete Aufbereitung des Trinkwassers nötig. In einem Teilprojekt der vorliegenden Arbeit wurde ein Trinkwasser-Aufbereitungssystem im Labormaßstab aufgebaut, um die Vorgänge während der Aufbereitung cyanobakterieller Wässer imitieren zu können. Hierfür wurde eine Ozonungsstufe und verschiedene Filtrationsmaterialien installiert und deren Effektivität bezüglich der Eliminierung von reinem Microcystin - LR (MC-LR), von Extrakten aus Planktothrix rubescens und von intakten Zellen von Microcystis aeruginosa bzw. Trichomen von P. rubescens untersucht. Diese Versuche zeigen, daß die Effektivität der Detoxifizierung cyanobakterieller Proben von einem hohen Gesamtkohlenstoffgehalt des aufzubereitenden Wassers negativ beeinflußt wird. Ozon führt schon bei Konzentrationen, die üblicherweise in Wasserwerken eingesetzt werden, zu einer Lyse der cyanobakteriellen Zellen und damit zu einer Freisetzung der Toxine. Die Resttoxizität nach Ozonung wurde durch die nachfolgenden Filtrationssysteme erfolgreich entfernt. Ergänzend wurden Proben aus Trinkwasserwerken in Australien, Deutschland und der Schweiz auf cyanobakterielle Toxine hin untersucht. Diese Proben wurden aus dem Rohwasser und nach den jeweiligen Filtrationsstufen entnommen. Belastungen des Rohwassers mit mehr als 5 µg MC/L waren detektierbar, wobei die jeweils angewandte Aufbereitungsmethodik die Toxinkonzentrationen deutlich unter den von der WHO angegebenen Richtwert von 1.0 µg MC-LR/L Trinkwasser reduziert. Eine weitere Methode der Gewinnung von Trinkwasser ist die Uferfiltration. Probennahmen aus einem entsprechend genutzten Gewässer in der Schweiz und dem filtrierten Wasser in ufernahen Brunnen haben gezeigt, daß zwar mehr als 99% der MCs entfernt bzw. abgebaut werden, jedoch noch Spuren an MC in den Trinkwasserbrunnen vorhanden sind. Neben den trinkwasser-relevanten Daten konnten auch Informationen über ökologische Aspekte des Auftretens von Cyanobakterien und der möglichen Funktion der Toxine gesammelt werden. Im Hallwiler See/Schweiz weist der Vergleich von cyanobakterieller Zellzahl zu Toxingehalt auf einen Wechsel von Subpopulationen der Spezies P. rubescens hin, wobei diese Subspezies morphologisch nicht zu unterscheiden sind. Im Gordonbrook Dam/Australien konnte im Laufe zweier Jahre mehrmals ein Wechsel der dominierenden Cyanobakterien - Spezies beobachtet werden. Eine zeitliche Kohärenz zwischen interartlichen Konkurrenzsituationen um die Vorherrschaft im Gewässer und der jeweiligen Toxinkonzentrationen sind zu erkennen. Nachdem eine Cyanobakterienart die Dominanz im Gewässer übernommen hatte, ging die Toxinkonzentration trotz steigender Zellzahl zurück. Aus diesen Beobachtungen kann eine allelopathische Funktion dieser Sekundärmetabolite abgeleitet werden. Eine alternative Erklärung wäre ein Dominanzwechsel von einer toxischen zu einer nicht-toxischen Subpopulation der jeweiligen Spezies. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit war die Aufklärung des Abbauweges von MCs während der Ozonung und die mögliche Resttoxizität. Unabhängig von der Konzentrationen an Ozon wird die Adda-Seitenkette der MCs an verschiedenen Positionen abgespalten, gefolgt von einem Aufbruch der Ringstruktur des Restmoleküls und weiteren Mineralisierungsschritten, die nicht im Detail aufgeklärt wurden. Strukturelle und funktionelle Testsysteme ergaben keine zusätzlichen Signale. Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß MC-LR Produkte nach oxidativem Abbau durch Ozon keine detektierbare Adda-Seitenkette mehr besitzen und diese Produkte nicht mehr imstande sind, Proteinphosphatasen zu inhibieren. In dieser Arbeit ist der Wissensstand auf dem Gebiet der Effektivität verschiedener Trinkwasseraufbereitungsmethoden bezüglich der Eliminierung cyanobakterieller Toxine zusammengefaßt. Zusätzlich enthalten ist eine Beurteilung der möglichen Aufnahmewege und negativen Einflüsse dieser Toxine auf die menschliche Gesundheit.