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27. April 2018

Frederik Hammes und Stefan Kötzsch im Interview

«Es braucht eine bessere Verknüpfung von Forschung und Praxis im Trinkwasserbereich»

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden wichtige Grundlagen der Trinkwassermikrobiologie gelegt. Darauf basierend wurden die derzeit immer noch gängigen Nachweismethoden mittels Plattieren für E. coli und AMK entwickelt. Wo stehen wir in der Trinkwassermikrobiologie heute, über 100 Jahre später? Frederik Hammes, Gruppenleiter Trinkwassermikrobiologie an der Eawag, und Stefan Kötzsch, Senior wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Gebäudetechnik und Energie der Hochschule Luzern, beschreiben im Interview die Entwicklungen auf diesem Gebiet. Sie plädieren für eine bessere Zusammenarbeit von Forschung und Praxis. Zudem sollte Trinkwasserinstallationen in Gebäuden mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Margarete  Bucheli 
Welche Entwicklungen gab es in der Trinkwassermikrobiologie seit ihren Anfängen im 19. Jahrhundert?

Frederik Hammes: Die Trinkwassermikrobiologie und vor allem die Forschung auf diesem Gebiet ist weit gekommen. Gerade in den letzten beiden Dekaden wurde eine grosse Anzahl spannender neuer Nachweis- und Charakterisierungsmethoden entwickelt. Dazu gehören die Durchflusszytometrie samt verschiedenen Anfärbeverfahren, die Verwendung spezifischer Antikörper, qPCR (quantitative Echtzeit-PCR) und Aktivitätstests, wie ATP-Messungen.

Ganz neue Möglichkeiten eröffnen auch in den letzten Jahren entwickelte Sequenzierungsverfahren, die häufig als Sequenzierung der nächsten Generation (engl. next generation sequencing, NGS) bezeichnet werden. Mit diesen lassen sich in kurzer Zeit und auch zu erschwinglichen Preisen Wasserproben untersuchen. So lassen sich die Mikroorganismen in der Probe auf Gattungsniveau identifizieren, woraus eine relative Zusammensetzung der Bakterienpopulation abgeleitet werden kann. Es gibt also zahlreiche interessante Methoden, durch deren Anwendung wir in der Trinkwassermikrobiologie viel dazu gelernt haben, sodass wir mittlerweile die Zusammenhänge um einiges besser verstehen.

«Forschungsseitig hat sich viel getan. Schaut man aber an, was von der Forschung tatsächlich in die Gesetzgebung oder in die Praxis gelangt ist, so sieht das Bild nicht ganz so positiv aus.»

Stefan Kötzsch: Forschungsseitig hat sich wirklich enorm viel getan. Schaut man aber an, was von der Forschung tatsächlich in die Gesetzgebung oder in die Praxis gelangt ist, so sieht das Bild nicht ganz so positiv aus. Neue Verfahren haben es schwer, sich für Routineanwendungen durchzusetzen. Die Trinkwasser-
mikrobiologie war und ist ein sehr konservatives Feld. Gewachsene Vorsicht gekoppelt mit Traditionen und Erfahrungswerten, die sich über Jahrzehnte hinweg etabliert haben, machen es Neuheiten im Bereich der mikrobiologischen Analytik schwer. Erst nach mehreren Jahren der Erprobung werden diese in der Routine akzeptiert.

In der vor einem Jahr in Kraft getretenen Trink-, Bade- und Duschwasserverordnung (TBDV) sind im Anhang 1 die mikrobiologischen Anforderungen an Trinkwasser geregelt. Im Vergleich zur früheren Regelung in der Hygieneverordnung hat sich für Trinkwasser nichts geändert, die Nachweisverfahren basieren weiterhin auf der Plattierung. Wie beurteilen Sie die Regelungen der TBDV?

SK: Generell ist die Revision des Lebensmittelgesetzes und die damit verbundene Schaffung der TBDV ein willkommener und notwendiger Schritt gewesen. Die verantwortlichen Bundesbehörden und auch teilweise der Vollzug tun sich aber schwer mit der Akzeptanz neuer Methoden. Dies ist verständlich, weil neue Methoden meist «halbfertig» abgeliefert werden und weil eine längerfristige Zusammenarbeit zwischen Forschung und Routine oft fehlt. Dies liegt nicht zuletzt an den finanziellen Möglichkeiten, die in der Schweiz für den Bereich Trinkwasser zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass es keine Plattform gibt, worüber neue Methoden gefestigt werden können, bevor sie in den komplexen Prozess einer internationalen Normung 
(z. B. EN oder ISO) eintreten. Mit dem Wegfall des Schweizerischen Lebensmittelbuches SLMB ist eine solche Plattform leider verschwunden. Die Methode der Totalzellzahlbestimmung mittels Durchflusszytometrie wurde entwickelt und damals vom BAG (heute BLV) getragen und empfohlen, indem sie in die SLMB-Sammlung aufgenommen wurde. Mit dem ersatzlosen Wegfall des SLMB hängt diese Methode wieder in der Luft. Es gibt keine Möglichkeit der Pflege und Weiterentwicklung der Methode.

Während die zentrale Wasserversorgung – auch wenn im Bereich Mikrobiologie auf veraltete Methoden wie die AMK-Bestimmung zurückgegriffen wird – relativ gut in der TBDV abgebildet ist, sieht es im Bereich der Trinkwasserinstallationen in Gebäuden schlechter aus. Es wird zwar die Forderung gestellt, dass das Trinkwasser z. B. keine gesundheitsrelevante Konzen-
tration von Krankheitserregern enthalten darf, aber weder Arten noch Konzentrationen werden angegeben.

Auch die Tatsache, dass das Wasser im Verteilnetz als Lebensmittel bzw. Trinkwasser behandelt wird, beim Austritt aus der Dusche aber zum Gebrauchsgegenstand wird, während es beim Austritt aus dem Hahn Trinkwasser bleibt, macht es nicht einfacher. Für den Gebrauchsgegenstand gelten nun z. B. Höchstwerte für Legionellen, nicht aber für das Trinkwasser. Diese Regelung ist wiederum auf öffentliche Gebäude beschränkt, wobei auch hier Unterschiede gemacht werden, sodass beispielsweise Personalduschen nicht unter die Gesetzgebung fallen. Der Verordnung mangelt es hier und da leider noch etwas an Konsistenz.

Seit über 10 Jahren erforschen Sie nun Anwendung der Durchflusszytometrie in der Trinkwassermikrobiologie. Welche Methoden haben Sie entwickelt?

FH: Wir haben durchflusszytometrische Methoden zur Bestimmung der Totalzellzahl im Trinkwasser wie auch der Anzahl intakter und toter Zellen etabliert. Diese Methode ist wiederum die Grundlage der Verfahren zur Ermittlung des assimilierbaren organischen Kohlenstoffs (AOC), der Quantifizierung von Biofilmen und der Bestimmung des Biofilmbildungspoten-
zials, die wir ebenfalls entwickelt haben. Auch auf dem Gebiet der Automatisierung der Durchflusszytometrie sind wir tätig. So haben wir Vorrichtungen für die Online- und Realtime-(Echtzeit-)Durchflusszytometrie konstruiert. Dabei ist das Online-Durchflusszytometer z. B. für die Überwachung einer Quelle über einige Monate gedacht, während mit der Realtime-Durchflusszytometrie die Kinetik schneller Reaktionen über mehrere Stunden verfolgt werden kann. Weiter beschäftigen wir uns mit dem Nachweis spezifischer Mikroorganismen mithilfe von Antikörpern und Durchflusszytometrie. Schliesslich haben wir auch die Methode der ATP-Bestimmung, insbesondere im niedrigen Konzentrationsbereich, weiterentwickelt.

«Die Forschung sollte sich vermehrt den Trinkwasser­installationen in Gebäuden widmen, weil hier noch viele Probleme lauern.»

Darüber hinaus wenden wir neue Methoden wie qPCR oder NGS an, nicht einzeln, sondern immer in Kombination mit anderen Verfahren. So konnten wir als eine der ersten Forschungsgruppen durch Kombination der Totalzellzahlbestimmung mittels Durchflusszytometrie und NGS das Vorkommen von Bakterien in Trinkwasserproben in absoluten Zahlen (und nicht nur als relative Anteile) angeben.

Aufgrund Ihrer Forschungsresultate fordern Sie ein Umdenken hinsichtlich der mikrobiologischen Beurteilung von Trinkwasser. In welche Richtung sollte neu gegangen werden? Wie könnte die TBDV diesbezüglich weiterentwickelt werden?

FH: Was es sicher braucht, sind Multitests, mit denen Trinkwasserproben auf die Anwesenheit mehrerer (opportunistischer) Krankheitserreger gleichzeitig untersucht werden können. Solch ein Screening-Test sollte unter anderem den Nachweis von Legionellen, Pseudomonas aeruginosa, Mykobakterien und Acetinobacter baumannii ermöglichen. Wahrscheinlich müssen unterschiedliche Tests für zentrale Wasserversorgungen und Trinkwasserinstallationen entwickelt werden. Bei den zentralen Versorgungen werden eher Bakterien fäkalen Ursprungs im Vordergrund stehen, während die vorher erwähnten Bakterien für Installationen in Gebäuden relevant sind. Zudem geht in meinen Augen der Trend hin zu einer Analyse und Beurteilung der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, des Mikrobioms, im Trinkwasser mithilfe von NGS.

Die Forschung sollte sich vermehrt den Trinkwasserinstallationen in Gebäuden widmen, weil hier noch viele Probleme lauern. Dabei sollte auch das Thema Biofilm stärker in den Fokus rücken. Darüber hinaus sollte sich der Schwerpunkt der Forschung weg vom reinen Monitoring und Beschreiben hin zu Möglichkeiten der Prävention, vor allem im Gebäudebereich, verlagern. Mit Forschung sollte beispielsweise Fragen zur aussagekräftigen Beprobung und Analyse wie auch zu den Auswirkungen präventiver Massnahmen auf den Grund gegangen werden. Wichtig ist dabei immer eine gute Zusammenarbeit zwischen Forschung und Praxis.

SK: In der TBDV sollten ausschliesslich Parameter samt Höchstwerten gelistet sein, für die spezifische Nachweismethoden vorhanden sind. Insgesamt sollte die TBDV auf pathogene oder opportunistisch pathogene Mikroorganismen fokussieren. Der Parameter AMK dagegen könnte aus der TBDV entfernt werden, da mittlerweile nachgewiesen wurde, dass er nicht hygienerelevant ist. Ein Parameter, der jedoch in den Anhang 1 der TBDV aufgenommen werden sollte, und zwar sowohl fürs Verteilnetz als auch für Trinkwasserinstallationen in Gebäuden, ist Pseudomonas aeruginosa. Die Parameter Totalzellzahl (TZZ) und intakte Zellzahl (IZZ) basierend auf der Durchflusszytometrie (mit und ohne life/dead-staining) könnten als Prozessparameter in Anhang 3 der TBDV oder in die SVGW-Leitlinie W12 für eine gute Verfahrenspraxis in Trinkwasserversorgungen aufgenommen werden. Auch sollte der Bereich der Trinkwasserverteilung im Gebäude in der TBDV mutiger geregelt werden, indem die entsprechenden Passagen weniger vage und ausweichend formuliert werden.

Um in der TBDV spezifische Krankheitserreger zu regeln, braucht es Nachweismethoden, am besten schnelle Methoden. Was tut sich auf dem Gebiet der Entwicklung solcher Methoden?

FH: Der Schwerpunkt liegt auf molekularen Methoden, insbesondere auf qPCR oder Sequenzierung (NGS). Es wird erwartet, dass diese Methoden in den nächsten Jahren schneller und einfacher werden. Entwicklungen gibt es auch auf dem Gebiet der Verfahren, in denen spezifische Antikörper für den Nachweis verwendet werden, oder auf dem Gebiet spezifischer Wachstums-Assays (z. B. Legiolert). Ich habe den Eindruck, dass es derzeit mehr Forschungsgelder für die Weiterentwicklung von qPCR-Methoden gibt. Ausserdem gibt es bereits recht viele Erfahrungswerte für qPCR-Nachweisverfahren, was ein grosser Vorteil gegenüber den antikörperbasierten Methoden ist.

«Sicherheit lässt sich nicht durch mehr Monitoring erreichen, sondern vielmehr durch geeignete technische Lösungen.»

Für den Parameter TZZ fehlen noch Erfahrungswerte, die man in die TBDV aufnehmen könnte. Wie lassen sich solche Erfahrungswerte ermitteln?

FH: Um zu Erfahrungswerten für die TZZ zu kommen, gibt es zwei Herangehensweisen. Entweder hat ein einzelner Wasserversorger die Möglichkeit, selber grosse Mengen an Daten zu sammeln, beispielsweise unter Anwendung der Online-Durchflusszytometrie, und so eigene Erfahrungswerte für sein Versorgungssystem zu erhalten. Die zweite Möglichkeit ist, die Daten von verschiedenen Wasserversorgungen zu sammeln und daraus für einzelne Elemente der Versorgung, z. B. für eine Karstquelle oder den Auslauf eines Langsamsandfilters, Bereiche abzuleiten, innerhalb derer sich die Erfahrungswerte typischerweise bewegen. Liegen die Messwerte einer einzelnen Versorgung in diesem typischen Bereich, dann ist wahrscheinlich alles Ordnung. Im anderen Fall sind weitergehende Untersuchungen angesagt.

In der Überwachung der chemisch-physikalischen Trinkwasserqualität geht der Trend immer mehr in Richtung Online-Überwachung. Was für Optionen gibt es diesbezüglich für 
mikrobiologische Parameter?

FH: Es sind in den letzten fünf Jahren einige Online-Geräte für Mikrobiologie auf den Markt gekommen, die auf neuen Methoden beruhen. Dazu gehören Online-Durchflusszytometrie, Online-ATP-Analyse, Online-Mikroskopie und Online-Enzym­assays. Zu allen Technologien gibt es bereits kommerziell erhältliche Geräte. Doch es ist noch viel Forschung nötig, um abzuklären, wie, wann, wo und warum diese Methoden am besten zum Einsatz kommen.

Der Einbau eines Online-Durchflusszytometers oder andere anderer Online-Technologien für die Mikrobiologie an allen überwachungswerten Punkten in einer Wasserversorgung wird in der nächsten Zeit kaum machbar sein. Welche Überwachungsstrategie empfehlen Sie, um mit möglichst geringem Aufwand dennoch zu den relevanten Daten zu kommen?

FH: Nur weil sich leichter Daten sammeln lassen, ist das noch lange kein Grund, dies auch zu tun. Online-Methoden sind in meinen Augen sehr wertvoll für das Monitoring über eine gewisse Zeitperiode hinweg, um Muster und Trends zu erkennen und so das System besser beschreiben zu können. Basierend auf solchen Daten lassen sich für jedes Wasserversorgungssystem spezifische Probennahme- und Analysenpläne entwickeln, in denen eine niedrigere Probennahmefrequenz vorgesehen ist. Es muss auch betont werden, dass Sicherheit nicht durch mehr Monitoring erreicht wird, sondern vielmehr durch geeignete technische Lösungen.

Der Wasserversorger hat ein grosses Interesse daran, die Effizienz seiner Aufbereitungsprozesse zu überwachen. Welche Methoden könnten Sie ihm zur Überwachung der Elimination bzw. Inaktivierung von Mikroorganismen (vor allem auch durch UV-Desinfektion) vorschlagen?

FH: ATP, TZZ und IZZ (bestimmt mittels Durchflusszytometrie) sind gut geeignete Prozessparameter, die für eine Überwachung von Aufbereitungsschritten herangezogen werden können. Leider ist die Überwachung der UV-Desinfektion immer noch problematisch. Die drei genannten Parameter ATP, TZZ und IZZ liefern keine Aussagen zur UV-Inaktivierung, sodass als einzige Möglichkeit der mikrobiologischen Überwachung die Kultivierungsmethoden bleiben. Auf jeden Fall aber, also auch nach erfolgter UV-Behandlung, bieten diese Parameter die Möglichkeit, die Mikrobiologie während der Aufenthaltszeit im Netz zu beobachten.

Sie empfehlen den Wasserversorgern ein biologisch stabiles Trinkwasser zu verteilen. Was versteht man unter «biologisch stabilem Wasser»?

FH: Darunter verstehen wir ein Wasser, das sich hinsichtlich der mikrobiologischen Grössen (Zusammensetzung, Konzentration, Aktivität und Lebensfähigkeit usw.) weder örtlich noch zeitlich ändert. Änderungen bedeuten in der Regel mikrobiologisches Wachstum. Daher ist die biologische Stabilität typischerweise mit dem Nährstoffangebot des Wassers verknüpft.

Was kann der Wasserversorger tun, um im Netz die biologische Stabilität aufrechtzuerhalten?

SK: Die wichtigsten Ansatzpunkte sind:

– Die Wassertemperaturen niedrig halten und Stagnationen vermeiden.

– Verwendung geeigneter Materialien, die möglichst wenig Nährstoffe ins Wasser abgeben.

– Vermeidung von Leckagen plus eine gute Netzpflege und regelmässiges Spülen, um Ablagerungen zu entfernen.

Und wie sieht es dann in der Gebäudeinstallation aus? Was passiert auf den letzten Metern und wie steht es um die biologische Stabilität des Wassers? Was haben die neuen mikrobiologischen Nachweismethoden im Gebäudebereich zutage gefördert?

SK: Die ursprüngliche biologische Stabilität des gelieferten Trinkwassers lässt sich in den derzeit vorhandenen Trinkwasserinstallationen in Gebäuden praktisch nicht aufrechterhalten. Die Installationen wurden leider nicht an die gesellschaftlichen und gebäudetechnischen Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten angepasst. Trends wie verdichtetes Bauen, verbesserte Dämmung von Gebäuden und Versorgungsschächten, ein verändertes Nutzerverhalten, Zunahme der Entnahmestellen sowie der steigende Druck, gebäudeseitig Energie- und Wassereinsparungen zu erzielen, beeinflussen die Trinkwasserhygiene stark. Vor allem energetische Verbesserungen im Gebäudebereich wirken sich häufig negativ auf die Wasserhygiene aus.

Ausserdem ist das Verteilsystem im Gebäude eine Sackgasse. Man muss sich bewusst sein, dass – wie in einer amerikanischen Studie berechnet wurde – rund 80% der Rohleitungsmeter einer Trinkwasserverteilung innerhalb der Gebäude verlaufen. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis nimmt bis zur Entnahmestelle enorm zu. Zusammen mit dem zunehmenden Einsatz von Kunststoffleitungen, langen Stagnationsphasen und erhöhten Temperaturen wird die biologische Stabilität eines Wassers auf der letzten Meile aufgehoben. Vor allem in Kombination begünstigen diese Rahmenbedingungen das unkontrollierte mikrobielle Wachstum.

«Im Moment akzeptieren wir einfach die Mikroorganismen, die in Trinkwassersystemen vorhanden sind, anstatt darüber nachzudenken, wie wir diese aktiv managen und manipulieren können.»

Sie plädieren für präventive Massnahmen, damit es erst gar nicht zu Problemen in Gebäudeinstallationen kommt. Wie könnten solche Massnahmen aussehen?

SK: Bei Architekten, Planern, Installateuren, Eigentümern und Mietern muss das Bewusstsein fürs Thema geschaffen und das Wissen dazu gesteigert werden. Während der Bauphase und der Erstbefüllung einer Trinkwasseranlage gilt es Fehler zu vermeiden, deren Folgen sich oft nur schwer beheben lassen. Natürlich braucht es eine optimale Planung und Bauausführung nach den Regeln der Technik und der späteren Nutzung des Gebäudes. Schliesslich sollte auch der Inbetriebnahme von Trinkwasserinstallationen verstärkt Aufmerksamkeit geschenkt werden. Der hydraulische Abgleich von Warmwasserzirkulationen und die Temperaturkontrolle beispielsweise müssen gewissenhaft ausgeführt werden.

FH: Trinkwasserhygienisch bessere Materialien sollten entwickelt werden. Zudem sollte die Temperaturkontrolle in Gebäuden verbessert werden. Im Zentrum steht aber meines Erachtens, dass die mikrobiologischen Vorgänge in Trinkwasserinstalla-
tionen wie auch die Auswirkungen von ergriffenen Massnahmen besser verstanden werden. Hierfür braucht es noch Forschung.

Sie interessieren sich auch sehr für Biofilme, die sich in Gebäudeinstallationen zwangsläufig bilden. Welche Erkenntnisse haben Sie in Ihrer Forschung hier gewonnen?

SK: Biofilme entstehen sehr schnell. Im Allgemeinen sind sie innerhalb von 7–14 Tagen voll ausgeprägt. Dagegen braucht es lange, bis sich die endgültige mikrobielle Gemeinschaft einstellt bzw. an Änderungen anpasst. Anfangs bestimmt das Material stark die Zusammensetzung des Biofilms, vor allem wenn viele Kohlenstoffverbindungen aus dem Material herausmigrieren. Später lässt der Einfluss des Materials nach und die Biofilme auf verschiedenen Materialien gleichen sich aneinander an.

FH: Darüber liesse sich stundenlang reden. Unsere wichtigsten Ergebnisse zum Thema Biofilm lassen sich kurz so zusammenfassen:

– 99% der Bakterien in Trinkwassersystemen befinden sich im Biofilm.

– Die Zusammensetzung der mikrobiologischen Gemeinschaft des Biofilms unterscheidet sich vollkommen von derjenigen der Wasserphase.

– Es besteht ein dynamischer Austausch zwischen Biofilm und Wasserphase.

– Der Biofilm weist Heterogenitäten im µm-Massstab auf.

– Das Material beeinflusst die Zellzahlen und die Zusammensetzung des Biofilms massiv.

– In Biofilmen liegen oft viele opportunistische Krankheitserreger vor.

– Biofilme in Trinkwassersystemen sind häufig überproportional schleimig, d. h. sie enthalten viel Schleim und vergleichsweise wenig Bakterien. Eine Erklärung hierfür könnte eine Stickstoff- oder Phosphorlimitation sein, sodass der im Überschuss vorhandene Kohlenstoff zur Produktion des Schleims verwendet wird.

Und zum Abschluss ein Blick in die Zukunft: Was sind Ihre Ideen und Wünsche? Wie sollte die Trinkwassermikrobiologie in 5 bis 10 Jahren aussehen?

FH: Ich wünsche mir mehr Kontrolle über die Mikrobiologie in Trinkwassersystemen. Im Moment akzeptieren wir einfach die Mikroorganismen, die vorhanden sind, anstatt darüber nachzudenken, wie wir diese aktiv managen und manipulieren können. Ausserdem wünsche ich mir eine bessere Verknüpfung von Forschung und Praxis. Hierfür bräuchte es mehr Ressourcen.

SK: Wir sollten so weitermachen wie heute, aber es braucht mehr Leidenschaft und ein stärkeres Bewusstsein für das nasse Gold. In der Schweiz ist die Trinkwasserqualität im Grossen und Ganzen gut bis sehr gut, aber mangelndes Wissen führt bisweilen zu Panikmache oder Trivialisierung der Probleme.

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