SVU-rapport 2011-18: Värdering av risker för en relativt opåverkad ytvattentäkt – modellering av Rådasjön med stöd av inaktiveringsstudier och mikrobiell källspårning

Information om ny rapport från Svenskt Vatten Utveckling!
Nr: 2011-18
Titel: Värdering av risker för en relativt opåverkad ytvattentäkt – modellering av Rådasjön med stöd av inaktiveringsstudier och mikrobiell källspårning
Författare: Johan Åström (Chalmers t.o.m. mars 2011, därefter Tyréns AB), Olof Bergstedt (Göteborg Vatten), Ekaterina Sokolova (Chalmers), Inger Kjellberg (Göteborg Vatten), Thomas Pettersson (Chalmers) samt Charlotta Borell-Lövstedt, Anna Karlsson och Cecilia Wennberg (DHI)
Område: Dricksvatten

Sammandrag: Nya metoder och verktyg för att bedöma mikrobiologiska dricksvattenrisker från ytvattentäkter har utvärderats och kombinerats, däribland övervakning av råvattnet at-line, mikrobiell källspårning med Bacteroidales och hydrodynamisk modellering. I en avslutande riskvärdering jämförs metoderna ODP och MRA.

Sammanfattning: Enligt Världshälsoorganisationen är de allvarligaste riskerna för försämrad hälsa genom dricksvattnet de mikrobiologiska riskerna. En tydlig påminnelse om detta gavs genom de vattenburna utbrott av Cryptosporidium som vinterhalvåret 2010–2011 drabbade ytvattentäkterna i Östersund och Skellefteå. När vattnet är påverkat av avföring finns risken att det även är påverkat av patogener från infekterade människor eller djur. I många svenska ytvattentäkter är de indikatororganismer som idag används inte tillräckliga för att visa på eventuella risker för vattenburen smitta; tvärt om kan de ge en falskt lugnande bild. Dessutom baseras informationen ofta på stickprov, vilket gör att dynamiken under mikrobiologiska händelser förblir okänd

Det övergripande syftet med detta projekt har varit att prova och utvärdera några olika verktyg för att bestämma föroreningskällors inverkan på infektionsrisken samt utifrån resultaten ge underlag för beslut om åtgärder. Rådasjön, som är huvudvattentäkt för Mölndal och reservvattentäkt för Göteborg, utgjorde fallstudieområde. Rådasjön påverkas av avföring från både människor och djur; enskilda och kommunala avlopp samt hästar och strandbetande nötkreatur. Detta innebär en infektionsrisk för de invånare som får sitt dricksvatten från sjön. Mikrobiologisk risk kan bedömas på olika sätt. Traditionellt kombineras kunskap om området omkring en vattentäkt med analyser av enstaka vattenprov, något som även gjordes i detta projekt, men rapporten lyfter också fram hur nya, mer avancerade verktyg kan utnyttjas och vilken information dessa bidrar med

Under perioden april till september 2008 togs vattenprov från tjugo provpunkter omkring Rådasjön (Figur 1-1) och analys genomfördes av traditionella indikatorbakterier. Resultaten gav ett mått på fekal påverkan vid råvattenintagen på femton och åtta meters djup (punkterna 1 och 2) samt för några typiska områden där förorening ofta förekommer: bäckar förorenade från enskilda avlopp och omgärdade av hästbetesmark (3 och 7), dagvattentrumma (18), strandbetesmark (17), offentlig badplats (11) samt sjöns in- och utlopp (12 och 10). Provserien följdes sedan upp under 2009 och 2010 med ett instrument för automatiserad provtagning av råvattnet (CALM), med snabbt analyssvar för E. coli. Resultaten från detta automatiska instrument avslöjade en större variation i den mikrobiologiska vattenkvaliteten än vad som framgick vid analysen av stickprov, vilket motiverade att aktivt arbeta för att lokalisera och åtgärda olika utsläppspunkter. Vidare genomfördes analys av parasiterna Giardia och Cryptosporidium på vatten från råvattenintagen och i en bäck förorenad från enskilda avlopp. Halterna i merparten av proven var inte detekterbara, men några prov innehöll parasithalter på över 10 (oo)cystor per tio liter.

För tio av de valda provpunkterna omkring Rådasjön analyserades vattenproven dessutom på DNA-nivå för bakterier av typen Bacteroidales, som förekommer i höga halter i färsk avföring hos flera olika djurslag, i syfte att spåra avföringspåverkan till dess ursprung. Med den molekylärbiologiska metoden kvantitativ polymeras kedjereaktion (qPCR) bestämdes innehållet av genetiska markörer från människa (BacH) och idisslare (BacR) i denna bakterietyp. Samma vattenprov analyserades även för sorbitol-fermenterande Bifidobakterier (SFB), en grupp bakterier som anses härstamma uteslutande från människa, samt för somatiska kolifager, ett virus som angriper bakterien E. coli men som är ofarlig för människan. Den genetiska markören BacH, vilken alltså signalerar avföring från människa, återfanns på alla tio provpunkter. Att halterna dessutom avsevärt översteg halterna av E. coli innebär att även en mycket låg grad av avföring från människa kan detekteras med denna källspårningsmetod.

SFB påvisades främst där även BacH fanns i höga halter, men svårigheten att avläsa kolonier från odlingen medförde en osäkerhet i haltbestämningen av dessa. Det kan ändå konstateras att såväl Bacteroidales-metoden som SFB-metoden bekräftade att flera vattenprov innehöll en avföringspåverkan från människa. Den genetiska markören BacR, vilken ska signalera avföringspåverkan från idisslare, återfanns mer sporadiskt än BacH. Högst halter av BacR konstaterades på den provpunkt som representerar strandbetesmark (punkt 17, Figur 1-1). Somatiska kolifager påvisades vid samtliga provpunkter omkring sjön. Vid ett tillfälle återfanns låga halter av kolifager även i råvattnet från femton meters djup, vilket tyder på att virus kan spridas även ner till detta vattendjup. Automatiserad flödesviktad provtagning vid två punkter omkring sjön under regnhändelser gav information om hur avrinningen uppströms styr variationen av färskt fekalt material från människor (halter av BacH) respektive idisslare (BacR) i Rådasjöns tillflöden. Analys av jordprov avslöjade att både BacH och BacR tyvärr förekommer i jord, om än i försvinnande låga halter jämfört med i färsk avföring, och att låga halter därför potentiellt kan vara förorsakade av jord.

Deltagarna i projektgruppen ombads att genom sin experterfarenhet bedöma den fekala påverkan på tio provpunkter omkring sjön. De fick uppskatta sannolikheten för att mänsklig avföring respektive avföring från idisslare förorenade vattnet vid respektive provpunkt. Utgångspunkten för experternas bedömningar var dels kunskap om förekomsten av traditionella indikatororganismer (halt och andel positiva), dels egen kännedom om lokala föroreningskällor. En statistisk metod utvecklades för att ge ett mått på tillförlitligheten i de fynd av BacH och BacR som gjorts på de olika provpunkterna omkring Rådasjön. Ett sådant mått gavs genom att med Bayes teorem kombinera experternas bedömningar och prestandan i källspårningsmetoden. Bayes teorem beskriver hur en sannolikhet ändras när man får reda på att en annan händelse inträffat, i detta fall sannolikheten för en sann påverkan från människa eller idisslare förutsatt att den genetiska markören BacH eller BacR påträffades. Resultaten beräknades med Monte- Carlo-metoden, en metod som med slumpens hjälp tar hänsyn till variationer och osäkerhet. Detta nya angreppssätt för tolkning av källspårningsdata visade sig ha flera fördelar, bland annat följande:
• Det innebär ett systematiskt sätt att genom källspårningsanalyser styrka eller avfärda en hypotes om fekal påverkan från en specifik källa. Om exempelvis enskilda avlopp är lokaliserade uppströms, såsom vid punkt 3 (Figur 1-1), kan man genom fynd av BacH få starkare bevis för att det sprids avföring från dessa avlopp till vattentäkten jämfört med fynd av traditionella indikatorer, exempelvis E. coli.
• Metoden tydliggör hur informationen om fekal förorening på en provpunkt förändras om man använder en källspårningsmetod med qPCRanalys av en viss prestanda. Exempelvis var experterna inte så säkra på att ett dagvattenutlopp (punkt 18) kunde vara förorenat med avföring från människa; sannolikheten redovisades till i genomsnitt 0,62, dvs. 62 %. Att man ändå påvisade BacH i samtliga prov härifrån innebar med sannolikheten 0,78, dvs. 78 %, en indikation på att det här verkligen förelåg avföringspåverkan från människor.
• Man får en fingervisning om på vilka provpunkter det knappast är värt mödan och kostnaden att genomföra analysen. Det tydligaste exemplet här var provpunkten invid strandbetesmarken (punkt 17). Eftersom experterna bedömde det osannolikt (0,09, dvs. 9 %) att denna punkt var förorenad med avföring från människor, innebär detta sannolikheten 0,18, dvs. 18 %, att fynd av BacH verkligen kommer från människa. Med denna låga sannolikhet tillför analysen av BacH inte tillräckligt starka bevis och man skulle lika gärna kunna avstått från att genomföra den analysen vid punkt 17.

Ett inaktiveringsförsök genomfördes under olika säsonger på året (mars, augusti och november). Syftet var att studera hur de genetiska markörerna BacH och BacR, vilka alltså ingick i provtagningarna omkring Rådasjön, inaktiverades över tid i sjövatten i jämförelse med hur traditionella indikatororganismer inaktiveras. Inaktiveringen av de genetiska markörerna varierade mycket mellan olika årstider och mellan ljusa och mörka förhållanden, något som även var fallet för de traditionella indikatororganismerna. Snabbast inaktivering konstaterades i augusti i dagsljus medan högst stabilitet konstaterades i novemberförsöket. Stabilast i miljön generellt var totalantalet koliformer, följt av somatiska kolifager, de båda genetiska markörerna BacH och BacR, intestinala enterokocker och E. coli. Inaktiveringsförloppet av de genetiska markörerna liknade de som rapporterats för några viktiga patogena bakterier och virus i vatten. Resultatet bekräftade även den vedertagna uppfattningen att låga halter av E. coli i vattenprov kan ge en falskt lugnande bild av patogenhalter; denna bakterie inaktiverades ju snabbare än alla andra indikatororganismer i försöket. Om man antar likartade utsläppshalter kan analys av BacH och BacR på olika avstånd från ett utsläpp ge ett mått på möjliga halter av patogener av typen bakterier och virus. Parasiten Cryptosporidium kan dock återfinnas längre i vattenmiljön än dessa genetiska markörer.

En hydrodynamisk modell av Rådasjön upprättades i tre dimensioner för att simulera transporten av mikroorganismer från olika tillflöden (källor) till de båda råvattenintagen. Möjliga halter av patogener (norovirus, Cryptosporidium och E. coli O157/H7) i de olika tillflödena beräknades stokastiskt utifrån halter av genetiska markörer och utifrån litteraturuppgifter om bland annat halter hos infekterad individ, utsöndringstid och prevalens (frekvens av respektive infektion). Resultat från ovan nämnda inaktiveringsförsök användes för att beskriva inaktiveringen av mikroorganismer under transporten i sjön som en funktion av ljusintensitet och temperatur. Ett stort bidrag av E. coli från avrinningsområdet uppströms sjön understryker att det är angeläget att utvidga vattenskyddsområdet uppströms Rådasjön.

Patogentillskottet från olika källor jämfördes för endemiska förhållanden, dvs. normalt infektionsläge, och epidemiska förhållanden, dvs. en stor andel infekterade. Eftersom Cryptosporidium är relativt sällsynt hos människor men betydligt vanligare hos nötkreatur, stod nötkreaturen för den största spridningen av dessa parasiter vid normalt infektionsläge, även om det är tveksamt att dessa är i en form som kan åstadkomma infektion hos människor via dricksvattnet. Vid förhöjt sjukdomsläge dominerade avloppsutsläppen och när det gäller norovirus stod punkt 3 generellt för det största tillskottet till råvattenintaget på femton meters djup, följt av punkterna apst, 7 och 18 (Figur 1-1).

Den hydrodynamiska modelleringen bedömdes ge ett kraftfullt beslutsunderlag vid prioritering av åtgärder med utgångspunkt i patogennivåer. Modellerade patogenhalter gav också indata till mikrobiell riskanalys enligt den så kallade MRA-metoden, även om osäkerheterna var flera; bland annat var det oklart hur stort patogentillskott man kan förvänta sig från föroreningar uppströms sjön som kommer via Mölndalsån. Den hydrodynamiska modellen gav en mycket detaljerad beskrivning av variation över tid, med redovisning av halter som är så pass låga att de inte skulle gå att detektera med vanliga analysmetoder. Trots detta bör man fortsätta med råvattenprovtagning för analys av patogener, dels för validering av modellerade halter, dels därför att nya analysmetoder för bland annat virus med förbättrad detektion nu är på intågande. Analysmetoder för att både kvantifiera och bestämma livskraften av norovirus i vatten skulle definitivt ge säkrare beräkningsunderlag för MRA. Värderingar med MRA-metoden som baseras på historiska mätdata för olika patogener kan användas som underlag för att beskriva hur stor risken har varit, men glesa provtagningar med bristfällig kännedom om händelser med topphalter är ofta en begräsning. För att kunna bedöma hur risken är nu och i framtiden är det alltså värdefullt att kunna modellera olika utsläppsscenarier.

Riskanalys genomfördes också med metoden Optimal desinfektionspraxis, ODP, en metod som kunde genomföras med mer begränsade indata. De båda metoderna för mikrobiologisk riskanalys, MRA och ODP, gav resultat för Mölndals vattenverk som pekade i samma riktning. Ett flertal faktorer i beräkningarna, som resultat från den hydrodynamiska modellen och halter under endemisk respektive epidemisk nivå, kunde föras in i MRA men inte i ODP. I MRA tas hänsyn till variation och osäkerhet vilket ger ett bättre underlag för att diskutera hur tillförlitliga resultaten är jämfört med ODP. Även om MRA framstår som ett mer kraftfullt verktyg (om man har god kunskap om halter och variationer) verkar ODP på ett tillfredställande sätt ta höjd för de olika förhållanden som kan uppstå.

Med tanke på de stora vattenburna utbrott vi nyligen haft i Sverige rekommenderas alla ytvattenverk i Sverige att åtminstone genomföra en enkel, kvantitativ riskvärdering av typen ODP. Där det är angeläget att prioritera skyddet mot avföringspåverkan på råvattnet så är MRA, med sina möjligheter att modellera scenarier och ta hänsyn till osäkerheter, ett bra sätt att gå vidare.

Sökord: Mikrobiologiska risker, ytvatten, avloppssystem, strandbetande nötkreatur, indikatororganismer, Bacteroidales, Cryptosporidium, norovirus, EHEC, mikrobiell källspårning, stokastisk simulering, hydrodynamisk modellering

Keywords: Microbial risks, surface water, sewers, shore grazing cattle, indicator organisms, Bacteroidales, Cryptosporidium, Norovirus, EHEC, microbial source tracking, stochastic simulation, hydrodynamic modeling