09.04.2022 Tomáš Vítěz Monika Vítězová Biologické čištění odpadních vod Pitná voda - mikrobiologie Dezinfekce vody Historie 1854 - John Snow – popsal přenos patogenů ve vodě 1870 - Paster a Koch – teorie bakteriálních nemocí 1881 - Koch – experiment s chlorem, mortalita bakterií 1893 - poprvé použit ozón pro dezinfekci (Holandsko) 1905 - poprvé použita chlorace vody (reakce na tyfus Londýn) 1908 - Hariette Chick, teorie dezinfekce Dezinfekce vody Historie 1910 - poprvé použito UV pro dezinfekci vody (Francie) 1924 - počátky chlorování vody v ČR 1940 - první instalace dezinfekce ozónem v USA 1975 - první zdokumentovaná kontaminace vody E. coli v ČR od 50. let plošná dezinfekce, důvod - více povrchových zdrojů Dezinfekce vody Zdroj vody podzemní povrchová pH 5,5 – 7,5 6,8 – 8,5 teplota + +++ minerální látky +++ + organické látky + +++ oxid uhličitý +++ + kyslík + +++ železo, mangan +++ + tvrdost +++ + Dezinfekce vody Doprava vody - organismy ve vodovodech / materiál zdroj: van Liverloo et al. (2002) zdroj: Niquette et al. (2000) Dezinfekce vody Cíl - zneškodnění patogenních mikroorganismů. Postupy - chemické a nechemické (fyzikální). Mechanismy - destrukce struktury buněk, - interference s metabolizmem tvorby energie, - interference s biosyntézou a růstem, Predominantní faktory ovlivňující účinnost dezinfekce Oxidace nebo ruptura buněčné stěny → dezintegrace buňky Difuze do buňky a interference s buněčnou aktivitou zdroj: Russel et al. (1997) Dezinfekce vody Patogeny vyskytující se ve vodě velikost [µm] infekčnost* bakterie 0,1-10 nízká - vysoká viry 0,05-0,1 vysoká protozoa 4-15 vysoká červi viditelní vysoká * infekčnost (epidemiolická data) vysoká = infekční dávka 1 - 100 organismů, střední = infekční dávka 100 - 10 000 nízká = infekční dávka > 10 000 Při kontaminaci může nastat 1. Průjmy / žloutenka ….. patogeny přítomné ve vodě 2. Problémy způsobené při nedostatku hygieny / vody 3. Nemoci způsobené parasitickými červy mezihostitel vodní živočich plž – onemocnění střeva, kůže, mozku 4. Nemoci způsobené hmyzem, žijícím ve vodním prostředí malárie, horečka Dengue, žlutá zimnice Dezinfekce vody Patogeny vyskytující se ve vodě – bakterie Dezinfekce vody Patogeny vyskytující se ve vodě – viry Dezinfekce vody Patogeny vyskytující se ve vodě – další organismy Dezinfekce vody Zdroj: WHO 2011, Guidelines for Drinking-Water Quality porucha technologie chyba provozování úpravny vody kontaminace surové povrchové vody kontaminace surové podzemí vody Možnost přenosu Disease Causal bacterial agent cholera Vibrio cholerae, serovarieties O1 a O139 gastroenteritida převážně Vibrio parahaemolyticus břišní tyfus a salmonelóza Salmonella enterica subsp. enterica serovar Paratyphi Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhi Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium shigelóza - bacilární úplavice Shigella dysenteriae, Shigella flexneri, Shigella boydii, Shigella sonnei akutní průjmy a gastroenteritida Escherichia coli, serotypy O148, O157 a O124 Dezinfekce vody Zdroj: WHO 2011, Guidelines for Drinking-Water Quality Nejčastější nemoci přenášené pitnou vodou Dezinfekce vody Počet událostí / počet nemocných Zdroj: WHO 2009, OUTBREAKS OF WATERBORNE DISEASES Dezinfekce vody Faktory ovlivňující volbu způsobu dezinfekce Funkce několika proměnných. - účinnost zvolené dezinfekce, - druh a koncentrace mikroorganismů, - kvalita dezinfikované vody, - tvorba nechtěných vedlejších produktů po dezinfekci, - typ a dávka dezinfekčního činidla, doba kontaktu, - provozní a investiční náklady. Dezinfekce vody Typ a dávka dezinfekčního činidla Kritický krok pro dosažení dezinfekčního účinku - pro volbu je často zásadní faktor schopnost oxidace Oxidační činidlo Oxidační potenciál [V] Reakce Chlór Cl2 1,36 Cl2 + 2e- ↔ 2ClBróm Br2 1,09 Br2 + 2e- ↔ 2BrJód I2 0,54 I2 + 2e- ↔ 2lOzón O3 2,07 O3 + 2e- + 2H+↔ O2 + H2O Chlor dioxid ClO2 1,91 0,95 ClO2 + 5e- + 2H2O ↔ Cl- + 4OHClO2 + e- ↔ ClO2 - Dezinfekce vody Účinnost dezinfekčního činidla Účinnost z hlediska oxidace ozon > chlor dioxid > chlor > brom > jod Účinnost z hlediska difuze do buňky jod > brom > chlor - dávka činidla je vždy funkcí kvality vody - stanovována často experimentálně Dezinfekce vody Rezistence mikroorganismů Dělení patogenů sestupně podle rezistence spóry bakterií > spóry protozoí > viry > bakterie Dezinfekce vody Doba kontaktu Chick-Watson model, používaný dodnes retrospektiva Chick zákon (1908) Watson upravil zákon (1908) N - počet organismů v čase t N0 - počet organismů v čase 0 k - konstanta charakterizující typ činidla, mikroorganismu a kvality vody, Λ - koeficient specifické úmrtnosti, C - koncentrace dezinfekčního činidla, n - koeficient ředění, závisí na činidle a pH t - čas. kt N N  0 ln Harriette Chick tC N N n       0 ln Dezinfekce vody Chlor 1774 poprvé připraven, 1808 uznán jako prvek, 1825 Francie roztok KOCl (Javelle water), odpady, 1831 nasazen v epidemii cholery, 1908 první zmínka o dezinfekci chlorem Bubbly Creek, 1917 chloramin Ottawa a Denver, 1918 více než 1000 měst používalo chlor. Dezinfekce vody Chlorace - dávkování plynného chloru, chlornanu sodného nebo vápenatého do vody, chlordioxid, chloramin, - dávka závisí na složení vody (spotřebě chloru) a na dezinfekčních limitech, - pro pitnou vodu je třeba zajistit minimální hodnotu zbytkové koncentrace chloru ve výši 0,1 mg/l, - k dosažení účinné dezinfekce je navíc potřeba minimální doba působení chloru 20 minut, - účinnost chlorace je mimořádně závislá na pH hodnotě vody. Dezinfekce vody Chlor - účinnost dezinfekce závisí na chemické formě ve vodě, - závislost na teplotě, pH, obsahu organických látek, Cl2 + H2O ↔ HOCl + H+ + ClChlornan následně reaguje s organickými a anorganickými látkami ve vodě nebo disociuje HOCl ↔ H+ + OClpH vody ovlivňuje obsah HOCl a OCl- Dezinfekce vody Chloramin - v případě přítomnosti Cl2 a NH3 ve vodě, - formy: monochloramin (NH2Cl), 71g dostupného Cl2 dichloramin (NHCl2), 141g dostupného Cl2 trichloramin (NCl3), 223g dostupného Cl2 - závislost na obsahu Cl2 a NH3, teplotě, pH, NH3 (aq) + HOCl ↔ NH2Cl + H2O NH2Cl + HOCl ↔ NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl ↔ NCl3 + H2O Dezinfekce vody Chlordioxid - 1811 vyroben při reakci KOCl + HCl, - užíván zejména v papírenském průmyslu, - pomalé nasazení do úpravy a čištění vod, - nestabilní plyn, rozpustnost ve vodě 61,6 g/l. - v případě vysokého pH 2ClO2 + 2OH- = H2O + ClO3 - + ClO2 typická reakce ve vodě ClO2 + e- = ClO2 - Dezinfekce vody Chlor – mechanismus působení - narušení permeability buněk, - represe genové transkripce, - poškození nukleových kyselin a enzymů, - další efekty - transport nutrientů - buněčné dýchání - produkce ATP Dezinfekce vody Chlor – vedlejší produkty - trihalometany - chloroform, bromdichlormetan, dibromchlormetan, bromoform, - halogenoctové kyseliny - chloroctová, dichloroctová, trichloroctová, bromoctová, - halogenované acetonitrily - dichloracetonitril, bromchloracetonitril, Dezinfekce vody Ozon 1783 objeven (Van Marum), 1840 pojmenován (Schonbein), 1857 vyroben první generátor ozónu Siemens, 1893 použití ozónu pro dezinfekci vody Holandsko, 1906 instalace Nice, nejdéle v provozu, Dezinfekce vody Ozon - účinnost dezinfekce závisí na chemické formě ve vodě, - závislost na teplotě, pH, obsahu organických látek, O3 + 2H+ + 2e- → O2C + H2O současně probíhá reakce ozonu s vodou 2O3 + 4H3O+ + 4e- → 2O2 + 6H2O 6H2O → O2 + 4H3O+ + 4e- Dezinfekce vody Ozon – mechanismus působení - produkce volných radikálů, hydroxylové radikály, - narušení permeability, - produkce enzymů, - DNA - cílí na guanin nebo tymin, Dezinfekce vody Ozon – vedlejší produkty - peroxidy, - organické epoxidy - formaldehyd, - bromidy, bromičnany, Dezinfekce vody UV 1877 Downes a Blunt, objev germicidních vlastností slunečního záření. 1903 Niels Finsen, Nobelova cena, UV proti TB 1908 UV dezinfekce pitné vody, Marseille, France 1960 UV dezinfekce pitné vody se stává běžnou, Dezinfekce vody UV – mechanismus působení - tymine a cytosin dimerace = blokování replikace DNA, - 260 nm – nejvyšší účinek, - UV oprava - oprava exprese nukleotidů, - fotoreaktivace. zdroj: Malato et al. (2009) Dezinfekce vody UV – vedlejší produkty - přeměna dusičnanů na dusitany - formaldehyd, souvisí s obsahem huminových látek Dezinfekce vody Membránová filtrace Dezinfekce vody Další metody - ultrazvuk, - vysoký tlak, - nanomateriály (ZnO, TiO2, Ce2O4, fullereny, stříbro), zdroj: Li, et al. (2008) Dezinfekce vody Bakteriální diverzita v pitné vodě (16S rRNA) zdroj: Lee et al. (2010) Pseudomonas, Acinetobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Aeromonas, Moraxella, Enterobacter, Citrobacter, Sphingomonas, Klebsiella, Burkholderia, Xanthomonas, Methylobacterium, Bacillus zdroj: Berry et al., 2006 Dezinfekce vody voda z kohoutku - dlouhá doba zdržení (dovolená), - vzdálenost od úpravny, - nízké (zbytkové) koncentrace dezinfekčních činidel, - vyšší teplota - poměr povrchu potrubí/objem vody, - při odběru vody na počátku detekovány vyšší koncentrace mikroorganismů, kovů (Cu, Pb), …. Dezinfekce vody voda balená - zdroj - minerální voda, (Ca+2, Mg+2, Na+, HCO3 -), - perlivá voda, obohacená CO2, - neperlivá, minerální nebo z vodovodu bez plynu, - voda z pramenů, - destilovaná nebo čištěná (reverzní osmóza, membrány), - voda z vodovodů, Dezinfekce vody voda balená - teplota, světlo, - materiál, - plast = vykazuje vyšší rychlosti růstu, - sklo = vykazuje nižší rychlosti růstu. - obsah uhličitanů, -vyšší koncentrace = méně mikroorganismů, Bioterorismus poškození lidí, zvířat, plodin patogenní mikroorganismy nebo produkty mikroorganismů Srovnání s konvenčními zbraněmi produkce biologických zbraní je mnohem levnější poškodit civilní obyvatelstvo mnohem jednodušší Bioterorismus - historie čtrnácté století – Turci infikovali pozice nepřátel mrtvými těly vojáků 1754-1767 deky s neštovicemi posílány indiánům (Amerika) 1914-1918 1. světová válka, Němci použili Bacillus anthracis a Burkholderia mallei k infikování koní a zvířat nepřátel 1930-1945 Japonci a Němci použili B. anthracis, Shigella, Salmonella, Yersinia pestis na vězně 1962-1968 Viet Kong používal lidské a zvířecí exkrementy 1991 Irák, válka v v Perském zálivu použití biologických zbraní 2013 Sýrie, možné použití biologických zbraní Bioterorismus – zajímavá fakta • snadný přenos vzduchem, vodou, potravou, kontaminovanými předměty, přenos mezi lidmi, • dávka nutná k infekci je různá • levná výroba ve srovnání s chemickými zbraněmi • agens jsou stabilní v životním prostředí • agens jsou bez barvy, zápachu, symptomy se mohou projevit se zpožděním • vliv na úpravu a čištění vody, pokud by byly použity Bioterorismus – vybrané agens Bioterorismus – toxiny Bioterorismus – kontaminace vodovodů - 2. světová válka Japonci kontaminovali vodu Číňanům, - B. anthacis, Shigella spp., Salmonella spp., Vibrio cholera, Yersinia pestis. Možné způsoby - destrukce technologie, uvolnění chlóru do potrubí, - chemická kontaminace, - kybernetický útok, - bioterorismus. Bioterorismus – kontaminace vodovodů Procesy snižující riziko - efekt naředění, - fyzikální, chemické, biologické faktory snižující riziko, - úpravny vody disponují řadou bariér k odstranění kontaminace, - (koagulace, flokulace, filtrace) - riziko nelze vyloučit, mechanismy nejsou prostudovány, Bioterorismus – zajímavá fakta Kontaminace vodovodů – systémy včasného varování zdroj: Biton et al. (2008) foto: Vítěz, úpravna vody Švařec Bezpečnost ??