DE60101371T2 - Verfahren zur verhinderung der vermehrung von mikroorganismen in aquatischen systemen - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Blüten von Mikroorganismen in einem wässrigen System und insbesondere zur Verhinderung von Blüten von Toxin produzierenden Mikroalgen und Cyanobakterien.
- In vielen Ländern basiert die Trinkwasserversorgung primär auf der Nutzung von Oberflächenwasser, und Seen und Flüsse, die als Trinkwasserreservoir genutzt werden, sind häufig anfällig für Blüten von Toxin produzierenden Mikroalgen und Cyanobakterien. Als Folge solcher Blüten mussten die Trinkwasserquellen, die normalerweise das ganze Jahr hindurch Wasser hoher Qualität liefern, zeitweise oder ganz geschlossen werden.
- Blüten von (Mikro-)Algen stellen auch erhebliche ökologische und ökonomische Probleme in marinen Wassersystemen dar.
- In Norwegen haben solche Blüten zu einem Massensterben von gezüchtetem Fisch geführt und damit zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für die Industrie. In anderen Teilen der Welt stellen solche Blüten eine direkte Bedrohung für die Gesundheit der Menschen dar, da große Fischbestände vergiftet sind.
- Zur Desinfektion von Trinkwasser kennt man die chemische Behandlung von Wasser beispielsweise durch Chlorung. Dass diese viele Nebenwirken hat, ist bekannt. Die Behandlung tötet Mikroorganismen, beseitigt aber nicht Toxine, die bereits im Wasser vorhanden sind. Weiterhin ist es bekannt, Trinkwasser einer UV-Behandlung zu unterziehen, um bereits vorhandene Mikroorganismen zu deaktivieren/töten.
- Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Prinzip ist, dass Algen und Cyanobakterien Wirtsorganismen für Viren sind und dass eine aktive Virenpopulation häufig der Grund dafür ist, dass solche Algen- und Bakterienblüten natürlich kulminieren.
- In den USA und in Israel hat man Versuche durchgeführt, in denen Viren verwendet wurden, um die Blüten von schädlichen Mikroalgen einzuschränken. Das Verfahren besteht aus der Isolierung von Mikroalgen und deren Zucht, um Viren zu produzieren. Die Viren, die dadurch erhalten werden, beschränken sich auf die Population von Algen, denen sie ursprünglich entnommen wurden, und diese Beschränkung ist wahrscheinlich auch der Grund dafür, dass dieses Verfahren nicht die erwartete Wirkung zeigt. In der Zeit, die für die Züchtung der Viren in einer Monokultur von Algen nötig ist, kommen andere Algen zum Blühen. Diese neue Population von Algen ist durch die produzierten Viren nicht beeinflussbar, und die Wirkung ist reduziert oder stellt sich erst gar nicht ein.
- Zur Schaffung eines wirksamen Verfahrens haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung vorhandenes Wissen über UV-Induktion von Viren angewandt, um ein Verfahren zu schaffen, bei welchem eine Fraktion aus einem Körper aus Wasser einer UV-Behandlung ausgesetzt wird, um Viren-Populationen zu induzieren, und bei welchem die UV-behandelte Fraktion anschließend wieder in das restliche Wasser zurückgeführt wird, so dass die Viren eine Kulminierung der Mikroorganismen, für die sie spezifisch sind, bewirken oder deren Wachstum eindämmen. Da die UV-behandelte Fraktion in das Wasserreservoir, dem sie entstammt, zurückgeführt wird, und da dies unmittelbar nach der UV-Behandlung geschieht, ist die Entwicklung einer Viren-Resistenz kein Problem. Ferner werden Viren gegen die verschiedenen Arten von Algen, die in dem Wasserkörper vorhanden sind, entwickelt.
- Daher umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Wassersystems, um die Vorkommen von unerwünschten Mikroorganismen ein zudämmen oder Mikroorganismen zu töten durch Induzieren einer Aktivierung von in den genannten Mikroorganismen latenten Viren.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Fraktion des wässrigen Systems einer Bestrahlungsbehandlung unterzogen wird und dass diese Fraktion danach in das wässrige System zurückgeführt wird.
- Die bei vorliegender Erfindung zu verwendende Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kammer, in der eine Vorrichtung angeordnet ist, um das Wasser in der Kammer einer Bestrahlung mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 250-380 nm zu unterziehen, und Mittel zum Zuführen einer Wassermenge durch die Kammer umfasst.
- Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-10 angegeben.
- Allgemein kann angenommen werden, dass alle Organismen in der Natur Angriffen durch Viren ausgesetzt sind. Jedoch sind alle Viren wirtsspezifisch, so dass sie nur eng verwandte Organismen angreifen. Diese Spezifität ist häufig mit Spezies verbunden, aber die Viren können in manchen Fällen verwandte Spezies angreifen. Die Spezifität kann auch auf einen "Stamm" innerhalb einer Spezies beschränkt sein.
- Viren kommen in der Natur als freie Viruspartikel vor. Diese sind inaktiv, bis sie einen Wirt finden, den sie infizieren und in dem sie sich vermehren können. Ob ein Viruspartikel in einem bestimmten Wirt aufgenommen wird und ob das Virus sich in diesem Wirt vermehren kann und sich anschließend von den Wirtszellen abspalten kann, um neue Wirte zu infizieren, basiert auf komplexen biochemischen Mechanismen. Exakt dieses komplexe Zusammenwirken macht die Wirt-Virus-Beziehung so speziell.
- Bei Algen und Bakterien ist eine solche Virusinfektion und die anschließende Produktion von Viren tödlich für den Wirts-Mikroorganismus. In solchen Situationen entwickelt der Wirts-Mikroorganismus Mechanismen zur Verhinderung solcher Angriffe und einer anschließenden Virusaktivität. Bei höheren Organismen sorgt das Immunsystem des Organismus nach einer Weile für die Identifizierung und Zerstörung von Viruspartikeln. Bei Organismen einer niedrigeren Ordnung lässt der Evolutionsdruck Wirtsorganismen, die (wegen einer genetischen Multiplizität in einer solchen Wirtspopulation) eine Resistenz entwickeln, überleben und daher die Population dominieren. Auf diese Weise entwickelt sich über relativ kurze Zeit eine Resistenz gegen ursprüngliche Viruspopulationen. Dies wiederum führt zu den Viren, die verändert werden müssen, so dass sie die Wirte erneut infizieren können. Daher findet eine kontinuierliche Evolution sowohl der Wirtsorganismen als auch der Viren statt, und dies ist einer der Gründe, warum das Verfahren, bei dem Algen zur Zucht eines Virus, das zurückgeführt wird, isoliert werden, nicht funktioniert, da die für die Zucht der Viren benötigte Zeit dafür ausreicht, dass die Wirtsorganismen eine Resistenz entwickeln oder dass sich neue Populationen entwickeln.
- Ferner weiß man von vielen Systemen (deren eines das Humansystem ist), dass viele Organismen Träger von nicht-aktiven Viren sind, d.h. dass die Viruspartikel in dem Wirt latent vorhanden sind. In solchen Systemen ist das Virus unter der Kontrolle durch den Wirt, so dass es nicht wächst und Schaden anrichtet. Wenn jedoch der Wirt verschiedenen Arten von externen Einflüssen ausgesetzt ist, z.B. einer UV-Strahlung, kann es sein, dass er die Kontrolle über das Virus möglicherweise verliert. Das Virus kann dann aktiviert werden und es kann sich vermehren und den Wirtsorganismus schließlich töten. Dadurch werden Viruspartikel freigesetzt, die andere Organismen der gleichen Spezies angreifen.
- Deshalb ist das Prinzip für die Erfindung gemäß vorliegender Anmeldung, die Wirt-Virus-Beziehung durch Induzieren einer Aktivierung der Viruspopulationen zu manipulieren, mit dem Ergebnis, dass die Wirtsorganismen getötet oder an einem Wachstum und einer Vermehrung gehindert werden. Gemäß diesem Prinzip können alle wirksamen Mittel verwendet werden, bei denen sich zeigt, dass sie zu einer Steigerung der Aktivität der Viruspopulation führen, doch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf die Bestrahlung mit Licht und insbesondere Licht, das eine Wellenlänge innerhalb des UV-Bereichs besitzt.
- Die folgenden Beispiele beschreiben Versuche im Mesokosmos-Maßstab, in dem die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Wirkung von UV-Strahlung auf Algen und Viren gemessen haben.
- Ohne auf eine spezielle Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, dass der kausale Zusammenhang bei den Messergebnissen auf den vorstehenden Erläuterungen von Induktion/Aktivierung von Viruspopulationen basiert, mit den anschließenden Abnahmen der Algenzahlen. Jedoch soll nicht ausgeschlossen werden, dass andere Mechanismus einen Effekt auf das Messergebnis gehabt haben können, zum Beispiel eine reduzierte Produktion von Toxinen etc.
- Wegen der speziellen Kopplung zwischen einem Virus und seinem Wirtsorganismus sind mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren keine Gesundheitsrisiken verbunden. Die Behandlung tötet nur Mikroorganismen oder macht sie unschädlich und beeinflusst nicht die Gesundheit des "Endbenutzers", sei es Fisch in einer marinen Umgebung oder seien es Menschen, die das behandelte Wasser trinken. Der Ordnung halber sei erwähnt, dass Frischwasser normalerweise zwischen 1-10 Millionen Viren pro Milliliter enthält.
- Auch Seewasser enthält normalerweise zwischen 1-10 Millionen Viren pro Milliliter (Maranger, R. et al., Viral abundance in aquatic systems, a comparison between marine and fresh waters. Mar. Ecol. Prog. Ser., 121, 217-226 (1995)). Diese Viruspopulationen stellen einen wichtigen Faktor bei der Regulierung der Vielzahl von Spezies und der Überlebensfähigkeit von marinen Ökosystemen dar. Wenn marine Algenblüten natürlich kulminieren, ist dies häufig mit der Entwicklung von Virusepidemien verbunden (Cannon, R. E., Cyanophage ecology. In: S. M. Goyal, C. P. Gerba and G. Bitten (eds.) Phage Ecology, John Wiley & Sons, New York, pp. 137-1656 (1987); Martin E. et al. Phages of cyanobacteria. In: R. Calendar (ed), The bacteriophages, Vol 2 Plenum Press, New York, pp. 606-645).
- Eine UV-Behandlung und auch Kombinationen einer Chlorung/UV-Behandlung von Wassersystemen sind bekannt. Das Ziel dieser Verfahren ist, bereits existierende Mikroorganismen zu töten/unschädlich zu machen, und setzt voraus, dass der gesamte Wasserkörper behandelt werden muss. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf einem völlig anderen Prinzip, da lediglich eine begrenzte Fraktion (einige wenige Prozent) des Wasserkörpers der UV-Behandlung unterzogen wird. Diese induziert die Virusaktivität, und wenn diese Menge an Wasser in das restliche Wasser zurückgeführt wird, führt die gesteigerte Virusaktivität zu einer Tötung der existierenden Mikroorganismen, aber diese hat vor allem eine hemmende Wirkung auf die Blüte von neuen Mikroorganismen.
- Die vorliegende Erfindung hat sowohl national als auch international einen hohen praktischen Wert. Sie ist unter anderem von großem Interesse für die Fähigkeit zur Behandlung von Wasserkörpern, um die Vermehrung von schädlichen Populationen von Algen und Cyanobakterien zu verhindern. Als Folge der regelmäßigen jährlichen Algenblüten haben viele Wasserwerke, wie erwähnt, Schwierigkeiten bei der Versorgung mit reinem Trinkwasser. Die akute Toxizität von Toxinen, die von Algen produziert werden, hat dazu geführt, das viele Seen und Flüsse als Trinkwasserquellen nicht mehr geeignet sind. Die gesundheitlichen Implikationen der Verwendung von toxinhaltigem Trinkwasser sind nicht vollständig dokumentiert, aber sie sind eindeutige Zeichen dafür, dass solche Toxine, z.B. Mikrocystein, ein Gesundheitsrisiko darstellen.
- Daher könnte die vorliegende Erfindung als eine Ergänzung für bestehende Trinkwasser-Desinfektionsverfahren verwendet werden oder diese ersetzen.
- Ferner war man in den vergangenen Jahren in Norwegen sowie in anderen Ländern zunehmend mit den potenziell schädlichen Wirkungen von marinen Algenblüten konfrontiert. In Norwegen haben die Blüten von Algen wie Prymnesium parvum und Chryschromulina polypepsis gezeigt, dass sowohl Fischzucht-Unternehmungen als auch Fischgründe äußerst anfällig für die Wirkung schädlicher Algen sind.
- Solche Blüten einer giftigen Algenpopulation finden jährlich statt, als eine Folge der Ableitung von Nährsalzen aus der Landwirtschaft. Die Nährstoffe gelangen durch die Flüsse zu den Flussmündungen und bewegen sich weiter mit den vorherrschenden Meeresströmungen, wodurch weite Flächen beschädigt werden können. Es ist ungewiss, ob die Behandlung durch eine Induzierung von Algenviren solche Situationen am Entstehen hindert. Entscheidend ist jedoch, dass die Behandlung in einer frühen Phase initiiert werden kann, d.h. bevor sich die Blüte zu sehr ausgebreitet hat. Eine Behandlung wird ins Auge gefasst, wo die Blüten als erstes entstehen, und ansonsten auch in Bereichen mit einem begrenzten Wasserdurchfluss, wie zum Beispiel in Fjorden mit schmalen und seichten Abflussbereichen.
- Die nachstehend angeführten Beispiele sollen die Erfindung nicht einschränken, sondern bestimmte Ausführungsformen der Erfindung lediglich erläutern. Der Rahmen und Schutzumfang der Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche definiert.
- Beispiel 1
- UV-Bestrahlung schränkt Algenblüte ein
- Zwei Mesokosmen (große Plastiksäcke (11 m3), die im Meer hängen) wurden mit Meerwasser gefüllt, und es wurden Stickstoff und Phosphate zugegeben, um die Blüte von Algen zu initiieren. Einer der Mesokosmen wirkte als Kontrolle. In dem anderen Mesokosmos wurde Wasser aus dem Mesokosmos durch einen UV-Lichtquellen-Einheit des Typs UNIK KUV 6-50/1 R (UV-Lampen ohne Reflektoren) gepumpt und danach zurück in den Mesokosmos.
- Die mittlere Durchflussgeschwindigkeit durch das System betrug 0,6 m3/Stunde, und die UV-Einheit lieferte eine minimale Dosis von 16 mWs/cm3. Die UV-Behandlung dauerte 1 Stunde pro 24 Stunden, so dass 5% des gesamten Wasservolumens über 24 Stunden behandelt wurden.
- Die UV-Behandlung begann am Tag 1 und endete am Tag 17. Drei Wochen lang wurden jeden Tag oder jeden zweiten Tag Proben entnommen. Algen und Viren wurden (auf der Basis von Fluoreszenz- und Lichtstreuungscharakteristiken) identifiziert und in einem Durchfluss-Zytometer gezählt, in dem verschiedene Algen- und Viruspopulationen auf der Basis des Verhältnisses zwischen Signalen von der "Vorwärts"- und "Seiten-Streuung" kombiniert mit Zählungen in einem Fluoreszenz-Mikroskop identifiziert wurden.
- Die Ergebnisse sind in den
1A-C dargestellt, in denen die Zahl der Algen, Emiliania huxleyi, Synechococcus und Micromonas, und der Viren für die beiden Mesokosmen angegeben ist, wovon einer in den 5% der Wassermenge (pro 24 Stunden) jeweils der Behandlung unterzogen wird und der andere die Kontrolle ist. - Die Ergebnisse zeigen, dass den Blüten der Algen Emiliania, Synechococcus und Micromonas bestimmte Viruspopulationen folgen, deren Zahl während oder nach der Blüte zunimmt. Dies wird so interpretiert, dass die Algen in der Natur Virusattacken ausgesetzt sind und dass die Viren die Populationsdynamik der Algen beeinflussen.
- Durch die UV-Bestrahlung einer Fraktion des Wasserkörpers gab es keine erkennbaren Algenblüten. Dies wird so interpretiert, dass die Induktion der Viren bestehende Algen tötet und/oder die Blüten neuer Algen verhindert. Jedoch sind die Viruszahlen ebenfalls niedriger als bei der Kontrolle, selbst wenn die Virusaktivität induziert wird, und eine wahrscheinliche Erklärung dafür sind weniger Algen. Das Betragsverhältnis (Anzahl von Viren in Relation zur Anzahl von Algen) ist bei der UV-Behandlung höher als bei der Kontrolle, abgesehen davon, als die Blüten von Emiliania im Kontrollversuch natürlich kollabierten. Dies zeigt, dass die Fraktion von Algenzellen, die ein Virus produzieren, d.h. induzierte oder infizierte Algen, in diesem Mesokosmos höher ist als bei der Kontrolle, so dass die Nettoproduktion von Algen hier geringer ist, wobei die Folge ist, dass die Blüten vermieden werden.
- Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass, wenn eine geringere Menge an Wasser (z.B. 5% pro 24 Stunden) einer UV-Behandlung unterzogen wird, dies Algenblüten verhindert.
Claims (10)
- Verfahren zur Einschränkung von Wasserblüten von Mikroorganismen in einem wässrigen System, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fraktion des wässrigen Systems einer Bestrahlungsbehandlung unterzogen wird, um eine Virusaktivierung in dem wässrigen System zu induzieren, und dass die behandelte Fraktion danach zum wässrigen System zurückgegeben wird, um eine Kulmination davon zu bewirken, oder das Wachstum der Mikroorganismen, für die sie spezifisch sind, zu begrenzen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung eine Wellenlänge im UV-Bereich hat, wie 250-380 nm.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktion des wässrigen Systems, die der Behandlung unterzogen wird, höchstens 20% der Gesamtmenge des wässrigen Systems, bevorzugt 1-10%, und am meisten bevorzugt ungefähr 5% ausmacht.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung kontinuierlich ist, indem z.B. das Wasser durch eine Durchflusszelle geleitet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung pulsiert durchgeführt wird, dass zum Beispiel 1-10%, bevorzugt ungefähr 5% der Wassermenge alle 24 Stunden bestrahlt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige System eine Quelle für Trinkwasser ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige System ein marines System ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen, die behandelt werden, Mikroorganismen sind, die als Wirtsorganismen für latente Viren dienen, und dass diese Viren durch die genannte Bestrahlungsbehandlung induziert und aktiviert werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen Eukaryonten sind, wie Algen und Protozoen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen Prokaryonten sind.
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