NO312413B1 - Fremgangsmåte og anordning for å hindre oppblomstring av mikroorganismer i et vandig system - Google Patents

Abstract

Det beskrives en fremgangsmåte og en anordning for å. hindre oppblomstring av mikroorganismer i et vandig system.En mindre del av vannmengden i systemet underlegges en bestrålingsbehandling, fortrinnsvis en UV-behandling, hvoretter den behandlede mengde tilbakeføres til det vandige system. UV-bestrålingen vil indusere aktivering av latente virus, og når disse fares tilbake til vannsystemet vil mikroorganismer i dette system drepes eller inaktiveres, samt at nye mikroorganismer ikke dannes.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for å hindre oppblomstring av mikroorganismer i et vandig system, og nærmere bestemt for å hindre oppblomstring av giftproduserende mikroalger og cyanobakterier.

Drikkevannsforsyninger er i mange land hovedsakelig basert på bruk av overflatevann, og innsjøer og elver som benyttes som drikkevannsreservoar er ofte svært sårbare for oppblomstring av giftproduserende mikroalger og cyanobakterier. Som en konsekvens av slike oppblomstringer har drikkevannskilder, som ellers i året leverer vann av høy kvalitet, måttet stenges midlertidig eller fullstendig.

Også i marine vannsystemer utgjør oppblomstring av (mikro)alger et 'betydelig økologisk og økonomisk problem.

I Norge har slike oppblomstringer forårsaket massedød av oppdrettsfisk, og således betydelige økonomiske "tap for næringen. I andre deler av verden utgjør slike oppblomstringer en direkte trussel mot den humane helsesituasjon, samtidig som store fiskebestander forgiftes.

For å desinfisere drikkevann er det vanlig å behandle vannet kjemisk, eksempelvis ved klorering. Som kjent har dette en rekke bieffekter. Behandlingen dreper mikroorganismene, men fjerner ikke toksiner som allerede er i vannet. Videre er det kjent å underlegge drikkevann. UV-bestråling for å inaktivere/drepe allerede foreliggende mikroorganismer.

Prinsippet som legges til grunn ved foreliggende oppfinnelse er at alger og cyanobakterier fungerer som vertsorganismer for virus, og at en aktiv viruspopulasjon ofte er årsaken til at slike alge- og bakterieoppblom-stringer kulminerer naturlig.

I USA og Israel har det vært utført forsøk der en har benyttet virus for å hindre oppblomstring av skadelige mikroalger. Metoden består i at mikroalgene isoleres, og at man dyrker disse for å produsere virus. De virus som frem-stilles vil da være spesifikke for den algepopulasjon de opprinnelig er hentet fra, og denne spesifisitet er også den sannsynlige grunn til at denne metode ikke har hatt den forventete effekt. I løpet av den tid det har tatt å dyrke opp virus i en renkultur av algen, vil andre alger ha blomstret opp. Disse nye algepopulasjoner vil ikke påvirkes av de produserte virus, og effekten reduseres eller ute-blir.

For å etablere en effektiv metode har oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse benyttet den kunnskap man har om UV-indusering av virus til å etablere en anordning og en fremgangsmåte der en fraksjon av en vannmengde utsettes for UV-behandling for å indusere viruspopulasjoner, og hvor den UV-behandlede fraksjon deretter føres tilbake til resten av vannmengden slik at virusene bevirker en kulminering av, eller begrenser tilveksten av de mikroorganismer som de er spesifikke for. Idet den UV-behandlede fraksjon føres tilbake til det samme vannreservoar som den er hentet fra, og idet dette foregår umiddelbart etter UV-behandlingen, vil utvikling av virus-resistens ikke være et problem. Videre vil det utvikles virus mot de forskjellige algetyper som finnes i vannmengden.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter således en fremgangsmåte og en anordning for å behandle et vannsystem for å begrense populasjoner av uønskete mikroorganismer, eller for å drepe mikroorganismer, ved å indusere en aktivering av virus som er latente i nevnte mikroorganismer.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at en fraksjon av det vandige system underlegges en bestrålingsbehandling, og at nevnte fraksjon deretter tilbakeføres til det vandige system.

Anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved at den omfatter et kammer, hvori det er anordnet et middel for å påføre vannet i kammeret en bestråling med en bølgelengde i området 250-380 nm, og et middel for å føre en vannmengde gjennom kammeret.

Ytterligere utførelser av foreliggende oppfinnelse er angitt i underkravene 2-10 og 12-14.

Generelt kan det antas at alle organismer i naturen vil være utsatt for virusangrep. Alle virus er imidlertid verts-spesifikke slik at de kun angriper nært beslektede organismer. Ofte er spesifisiteten knyttet til art, men i noen tilfeller kan virus angripe beslektede arter.' Spesifisiteten kan også.være begrenset til en «stamme», innen en art.

Virus forekommer i naturen som frie viruspartikler. Disse er inaktive til de finner en vert som de kan infisere og formere seg i. Komplekse biokjemiske mekanismer bestem-mer om en viruspartikkel skal kunne opptas i en bestemt vert, og om viruset i denne vert skal kunne formere seg, og deretter skilles ut fra vertcellene for å infisere' nye verter. Det er dette komplekse samvirke som gjør at vert-virus relasjonen er svært spesifikk.

For alger og bakterier vil en slik infisering med virus, og deretter påfølgende produksjon av virus være letal for vertsorganismene. I slike situasjoner vil vertsorganismene utvikle egenskaper for å hindre slike angrep, og påfølgende virusaktivitet. I høyerestående organismer vil organismens immunsystem etter en tid sørge for at viruspartiklene identifiseres og ødelegges. I laverestående organismer vil evolusjonstrykket føre til at de vertsorganismer som utvikler resistens (p.g.a det genetiske mangfold i en slik vertspopulasjon) overlever, og således dominerer populasjonen. På denne måte utvikles det over forholdsvis kort tid resistens til de opprinnelige viruspopulasjoner. Dette fører igjen til at virusene må endres slik at de igjen kan infisere vertene. Således vil der kontinuerlig være en utvikling av både vertsorganismene og virusene, og dette er ,n av grunnene til at metoden, der alger blir isolert for å dyrke virus som tilbakeføres, ikke fungerer, idet den tid det tar å dyrke virus er tilstrek-kelig til at verstorganismene har utviklet resistens, eller at nye populasjoner har utviklet seg.

Det er videre kjent fra en rekke systemer (bl.a. humane) at mange organismer er bærere av ikke aktive virus, dvs. at viruspartiklene foreligger latent i verten. Viruset er i slike systemer under kontroll av verten slik at det ikke formerer seg og gjør skade. Dersom imidlertid verten utsettes for ulike typer ytre påvirkning, eksempelvis UV-bestråling, så vil den kunne miste kontroll over viruset. Viruset kan da aktiveres, og det formerer seg og kan til slutt drepe vertsorganismen. Dette vil frigi viruspartikler som vil angripe andre organismer av samme art.

Prinsippet for oppfinnelsen ifølge foreliggende søknad er således å manipulere vert-virus relasjonen ved å indusere en aktivering av viruspopulasjoner slik at resultatet blir at vertsorganismene drepes, eller hindres i å vokse og formere seg. I prinsippet kan alle virkemidler som påvise-lig fører til en aktivitetsøkning i viruspopulasjonen benyttes, men en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse vedrører bestråling med lys, og da spesielt lys med en bølgelengde innen UV-området.

Eksemplene nedenfor beskriver forsøk i mesokosmos-format der oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse har målt effekten av UV-bestråling på alger og virus.

Uten å være bundet av en bestemt teori antas det at' årsakssammenhengen som ligger til grunn for de målte resultater er begrunnet i den ovenfor forklarte induksjon/ aktivering av viruspopulasjoner, med påfølgende nedgang i algetall. Imidlertid skal det ikke utelukkes at andre mekanismer kan innvirke på de målte resultater, eksempelvis redusert produksjon av toksiner mm.

På grunn av den nevnte spesifikke kobling mellom et virus og dets vertsorganisme, er det ingen helserisiko forbundet med bruk av metodene ifølge foreliggende oppfinnelse. Behandlingen vil kun drepe eller uskadelig-gjøre mikroorganismer, og vil ikke kunne påvirke helse-tilstanden til «sluttbrukerne», det være seg fisk i et marint miljø, eller personer som konsumerer det behandlede vann. Det skal for orden skyld nevnes at normalt ferskvann inneholder mellom 1-10 millioner virus per milliliter.

Også sjøvann inneholder normalt mellom 1-10 millioner virus per 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). Disse viruspopulasjoner utgjør en viktig faktor i reguleringen av artsmangfoldet og bærekraften i marine økosystemer. Når marine algeoppblomstringer kulminerer naturlig vil dette ofte være forbundet med utvikling av virusepidemier (Cannon, R.E. Cyanophage ecology. In: Goyal, S.M., C.P., Gerba, and G.Bitton (eds.) Phage Ecology. John Wiley % Sons, New York, p. 137-1656, 1987; Martin, E et al., Phages of cyanobacteria. In Calendar, R. (ed.), The bacterio-phages. Vol 2 Plenum Press, New York. p. 606-645).

UV-behandling, og også kombinasjoner av klorering/UV-bestråling, av vannsystemer er kjent. Disse metoder har som formål å drepe/uskadeliggjøre allerede eksisterende mikroorganismer, og forutsetter at hele vannmengden må behand-les. Metoden ifølge.foreliggende oppfinnelse virker etter et totalt forskjellig prinsipp, idet kun en begrenset fraksjon (noen få prosent) av vannmengden underlegges UV-behandling. Dette induserer virusaktivitet, og når denne vannmengde føres tilbake til den resterende vannmengde vil den økte virusaktivitet medføre at eksisterende mikroorganismer drepes, men først og fremst vil dette ha en inhiberende effekt på oppblomstring av nye mikroorganismer.

Den foreliggende oppfinnelse vil både nasjonalt og internasjonalt ha stor nytteverdi. Det vil blant annet være av stor interesse å kunne behandle vannmasser for å forhindre oppblomstring av skadelige populasjoner av alger og cyanobakterier. Som nevnt har flere vannverk problemer med å levere rent drikkevann som en følge av årvisse algeoppblomstringer. Den akutte giftighet av algeproduserte toksiner har ført til at en lang rekke innsjøer og elver ikke lenger er egnet som drikkevannskilder. De helsemessige virkninger av bruk av toksin-inneholdende drikkevann er ikke fullstendig klarlagt, men det finnes klare indika-sjoner på at slike toksiner, eksempelvis microcystein, medfører en helserisiko.

Således vil foreliggende oppfinnelse kunne benyttes som et supplement til, eller som en erstatning for, eksisterende desinfiseringsmetoder for drikkevann.

Videre har man i Norge, og også andre land, i de senere år i stadig sterkere grad blitt konfrontert med de potensielt skadelige effektene av marine algeoppblomstringer. I Norge har oppblomstring av alger som Prymnesium parvum og Chryschromulina polylepis avdekket at både havbrukvirksomhet og fiskerier er svært sårbare for effekten av skadelige alger.

Årlig oppstår det slike oppblomstringer av giftige algepopulasjoner som en følge av avrenning av næringssalter fra jordbruket. Næringsstoffene føres med elvene til elve-utløpene, hvoretter de beveger seg med de fremherskende

havstrømmer, og det kan påføres skader over store områder. Det er usikkert om behandling ved å indusere algevirus vil kunne forhindre at slike situasjoner oppstår. Det vil imidlertid være svært avgjørende at behandlingen kan settes inn på et tidlig tidspunkt, dvs. før oppblomstringen har spredt seg for mye. Man ser for seg en behandling der hvor oppblomstringen først oppstår, og ellers også i områder med begrenset vanngjennomstrømning, så som fjorder med trange og grunne munningsområder.

De nedenfor angitt eksempler skal ikke anses som begrensende for oppfinnelsen idet de kun forklarer visse utførelser av oppfinnelsen. De medfølgende patentkrav definerer oppfinnelsens ramme og beskyttelsesomfang.

Eksempel 1

UV- bestråling hindrer alge- oppblomstring

To mesokosmer (store plastposer (11 m<3>) som henger i sjøen) ble fylt med sjøvann og tilsatt nitrogen og fosfat for å initiere en alge-oppblomstring. Det ene mesokosmos fungerte som kontroll. I det andre mesokosmos ble vann fra mesokosmet pumpet gjennom en UV-belysningsenhet av typen UNIK KUV 6-50/1R (UV-lamper uten reflektor), og deretter tilbake til mesokosmet.

Gjennomstrømningshastigheten i systemet var 0,6 m^/time, og UV-enheten gav en minimumsdose på 16 mWs/cm<3>. UV-behandlingen pågikk i 1 time per døgn, slik at 5% av det totale vannvolum ble behandlet per døgn.

UV-behandlingen startet ved dag 1, og ble avsluttet ved dag 17. Det ble tatt prøver av vannet hver eller annenhver dag i tre uker. Alger og virus ble identifisert (på grunnlag av fluorescens og lysspredningsegenskaper), og talt i flowcytometer ved at de ulike alge og virus-populas jonene ble identifisert på grunnlag av forholdet mellom signalene fra «forward» og «side scatter», kombinert med tellinger i flouriscensmikroskop.

Resultatet fremgår av fig. 1A-C der antall alger, henholdsvis av Emiliania huxleyi, Syechococcus og Micromonas, og virus er angitt for de to mesokosmer, henholdsvis der 5% av vannmengden (per døgn) underlegges UV-behandling og kontroll-mesokosmet.

Resultatene viser at oppblomstringen av algene

Emiliania, Synechococcus og Micromonas følges av spesifikke viruspopulasjoner som øker i antall under eller etter oppblomstringen. Dette er tolket dithen at algene utsettes for virusangrep i naturen, og at virus påvirker algenes popula-sjonsdynamikk.

Ved UV-behandling a<y> en fraksjon av vannmengden, ble ingen oppblomstring av algene detektert. Dette tolkes som at induseringen av virus dreper eksisterende alger, og/ eller hindrer oppblomstring av nye alger. Imidlertid er virustallene også lavere enn i kontrollene, selv om virusaktivitet er indusert, og sannsynlig forklaring til dette er færre alger. Mengdeforholdet (antall virus i forhold til antall alger) er høyere ved UV-behandling enn i kontroll, bortsett fra når Emiliania oppblomstringen kollapset natur-, lig i kontrollforsøket. Dette tyder på at andelen alge-celler som produserer virus, dvs. alger som er indusert eller infisert, i dette mesokosmet er høyere enn i kontrol-len slik at netto algeproduksjon blir lavere her, med den konsekvens at oppblomstring unngås.

Resultatene viser klart at dersom en mindre vannmengde (eksempelvis 5% per døgn) underlegges UV-behandling, så vil dette hindre oppblomstring av alger.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for å hindre oppblomstring av mikroorganismer i et vandig system, karakterisert ved at en fraksjon av det vandige system underlegges en bestrålingsbehandling for å aktivere latente virus i vertsorganismer, og at nevnte fraksjon deretter tilbake-føres til det vandige system.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at bestrålingen har en bølge-lengde i UV-området, så som 250 - 380 nm.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at fraksjonen av det vandige system som underlegges behandling utgjør maksimalt 2 0% av den totale mengde av det vandige system, fortrinnsvis 1-10%, mest fortrinnsvis ca 5%.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1/karakterisert ved at behandlingen er kontinuerlig, eksempelvis ved at vannet føres gjennom en flow-celle.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at behandlingen er pulset, eksempelvis ved at 1-10%, fortrinnsvis ca. 5%, av vannmengden bestråles per døgn.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det vandige system er en drikkevannskilde.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det vandige system er et marint system.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at mikroorganismene er eukariote, så som alger og protozoer.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at mikroorganismene er prokariote.

10. Anordning for å utføre fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at anordningen omfatter et kammer, hvori det er anordnet et middel for å påføre vannet i kammeret en bestråling med en bølgelengde i området 250-380 nm, og et middel for å føre en vannmengde gjennom kammeret.

11. Anordning i samsvar med krav 10, karakterisert ved at midlet for bestråling omfatter en justerbar bølgelengderegulator slik at ønsket bølgelengde kan innstilles.

12. Anordning i samsvar med krav 10, karakterisert ved at midlet for å føre vann gjennom kammeret omfatter en reguleringsanordning slik at vanngjennom-strømningen kan reguleres.

13. Anordning i'samsvar med krav 10, karakterisert ved at anordningen ytterligere omfatter et middel for å regulere styrken av bestrålingen.