Biomonitoring w Aquanet

Biomonitoring w oparciu o małże

System wczesnego ostrzegania przed zanieczyszczeniami wód ujmowanych oparty o małże na Stacji Uzdatniania Wody Dębiec w Poznaniu

Badanie jakości wody pitnej polega na identyfikacji wielu substancji chemicznych, z uwzględnieniem każdego etapu jej uzdatniania. Wymaga ona skomplikowanej i kosztownej aparatury kontrolno-pomiarowej oraz doświadczonej i odpowiednio wykształconej kadry. Woda przeznaczona do konsumpcji powinna, pod względem chemicznym i biologicznym, odpowiadać standardom (przepisom) obowiązującym w danym kraju.

Poza analizami chemicznymi, których zakres rozszerza się, coraz większą uwagę przywiązuje się do badań biologicznych tzw. metod bioindykacyjnych posługujących się, przy ocenie stopnia toksyczności wód, organizmami żywymi. W odróżnieniu od danych chemicznych, które wskazują na stężenia badanych substancji w wodzie, dzięki organizmom żywym ocenia się potencjalnie szkodliwe oddziaływanie równocześnie wielu czynników na dany organizm (bioindykator). Bioindykatorami (organizmami wskaźnikowymi) są osobniki wybranych gatunków, które w trakcie hodowli w warunkach odbiegających od ich naturalnego środowiska wykazują pewne charakterystyczne cechy, czy zmiany, możliwe do zaobserwowania, a będące ich reakcją na negatywne oddziaływanie różnych czynników (w tym substancji toksycznych).

Organizmy wskaźnikowe wykorzystuje się w wodociągach do oceny jakości wody zarówno ujmowanej ( z ujęć powierzchniowych – jeziora i rzeki i podziemnych – studnie) jak i uzdatnionej. W tym celu określa się stopień toksyczności wód na bazie hodowli krótkoterminowych zwanych biotestami, względnie też prowadzi się obserwacje stałe, długoterminowe rejestrując zachowanie organizmów wodnych tzw. biomonitoring. Wykorzystywanie jakiegoś organizmu jako wskaźnika (bioindykatora) nie może być przypadkowe. Wymaga ono szeroko zakrojonych badań terenowych, których celem jest możliwie dokładna charakterystyka naturalnych warunków występowania. Dobór ten powinien być równocześnie poparty eksperymentami mającymi na celu sprawdzenie, który z czynników ograniczać będzie funkcjonowanie (czynności życiowe) badanego organizmu, jak również opisywał jego reakcje stresowe wywołane przez badany czynnik. Najlepszymi organizmami wskaźnikowymi są takie, które mają sprecyzowane wymagania życiowe, tzn. cechują się wąską skalą ekologiczną (występowania). Oznacza to, że szereg różnych czynników ograniczać będzie ich funkcje życiowe lub wręcz eliminować ze środowiska.

Takimi kryteriami sugerowano się przy doborze organizmów stosowanych w systemie biomonitoringu, którego celem jest sygnalizowanie potencjalnych skażeń wody przeznaczonej do celów konsumpcyjnych. Bioindykatorami w Aquanet S.A. (Stacja Uzdatniania Wody Dębiec) są małże. Są to organizmy coraz rzadziej występujące w naszych jeziorach, ponieważ większość tych zbiorników ma wody silnie zanieczyszczone, natomiast małże wymagają wody stosunkowo czystej. Preferują one wody dobrze natlenione takie, gdzie nawet przy dnie stężenie tego gazu jest wysokie. Brak tlenu powoduje u nich spadek aktywności oddychania. Małże są także bardzo wrażliwe na wzrost stężenia gruboziarnistej zawiesiny w wodzie. Posiadają zmysł czucia chemicznego, co dodatkowo uwrażliwia je na ewentualną obecność obcych dla ich naturalnego środowiska związków chemicznych. Organizmy te odżywiają się poprzez filtrację wody wyłapując z niej drobną zawiesinę. W ciągu godziny jeden osobnik przefiltrować (przeanalizować;) może 1,5 litra wody.

Małże są odporne na wpływ pewnych niekorzystnych czynników środowiskowych, jednakże tylko dzięki temu, że potrafią się przed nimi bronić poprzez zamknięcie skorup i obniżenie aktywności fizjologicznej. Zatem objawem pełnej ich aktywności jest całkowite otwarcie dwuczęściowej muszli oraz syfonu wpustowego, przez który dostarczany jest tlen i pokarm. W sytuacji, gdy w wodzie znajdują się szkodliwe substancje małże reagują natychmiastowym zamknięciem syfonów i muszli.
Pracownicy Zakładu Ochrony Wód Uniwersytetu im. A. Mickiewicza, którzy są twórcami systemu biomonitoringu, sugerując się znanymi cechami małży, przebadali ich wrażliwość na wzrost stężeń szeregu związków chemicznych. W tym celu, okazy przywiezione z jeziora hodowano w akwariach, a następnie wykonywano eksperymenty, badając ich zachowanie w wodzie o różnej zawartości badanych związków, w tym także silnie toksycznych takich jak np. związki arsenu. Po zastosowaniu do badań skomplikowanej aparatury elektronicznej, system oparty na opisanych wyżej zasadach zainstalowano w Aquanecie.

1 – szczezuje, 2 – magnes, 3 – czujnik halotronowy, 4 – wzmacniacz, 5 – sterownik systemu, 6 – komputer

Biomonitoring polega na ciągłej (całodobowej) obserwacji i rejestracji ruchów muszli małży (rodzaj szczeżuja – Anodonta). Urządzenie działa na zasadzie jednoczesnego pomiaru stopnia otwarcia 8 osobników, przebywających w akwarium przepływowym, zasilanym wodą płynącą z ujęcia na Dębinie (pozbawioną zawiesiny złożonej z żelaza i manganu)

Szczeżuje (1) przyklejone są, przy pomocy nietoksycznego kleju, jedną częścią muszli do postumentu, natomiast do drugiej przymocowany jest magnes (2). Magnes współpracuje z czujnikiem halotronowym (3) odczytującym zmiany natężenia pola magnetycznego. W momencie zamykania skorup magnes zbliża się do sondy (wzrost natężenia pola magnetycznego) a przy otwieraniu – odsuwa (spadek natężenia). Każdy z 8 czujników połączony jest z blokiem pomiarowym, znajdującym się poza akwarium. Sygnał z sond kierowany jest do wzmacniacza (4), i sterownika systemu (5), gdzie przetwarzany jest na postać cyfrową i przesłany do komputera (6). Na monitorze uzyskujemy obraz stopnia otwarcia każdej z małż wyrażony w procentach (w postaci słupków). Ponadto przedstawiona jest średnia chwilowa dla wszystkich osobników (słupek alarmowy). Uważa się, że woda jest bezpieczna, gdy średnia wartość otwarcia 8 małż nie obniży się poniżej ustalonego poziomu alarmu (25 %). Sygnał alarmowy (dźwiękowy) uruchamiany jest wtedy, kiedy komputer kilkakrotnie przeanalizuje dane i potwierdzi spadek wartości średniej (poniżej założonego poziomu alarmu). Eliminuje to możliwość fałszywego alarmu spowodowanego indywidualnymi zmianami w zachowaniu małż. Program komputerowy jest tak napisany, że umożliwia zmianę wielu parametrów systemu np.: częstotliwości pomiaru, poziomu alarmu itp. Ponadto urządzenie jest tak zaprojektowane, że działa w czasie pracy komputera jak i bez niego, ponieważ główną rolę kierowania i ewentualnego alarmowania pełni sterownik systemu. System biomonitoringu funkcjonuje w wodociągach poznańskich od 1 września 1994 roku.

Istotą opisanego urządzenia jest wyłącznie sygnalizowanie ewentualnych szkodliwych oddziaływań środowiska na wrażliwy organizm (bioindykator). Z kolei rolą obserwatora – laboratorium jest ocena sytuacji i w razie potrzeby włączenie odpowiednich badań.

Omówione wyżej zagadnienia są elementem wspomagającym w skomplikowanej ocenie jakości wody pitnej.

Biomonitoring w oparciu o bakterie luminescencyjne

Grzegorz Podolski – AQUANET S.A. Poznań

Microtox® CTM – unikalny biomonitoring do wykrywania skażeń chemicznych wód.

Żywe „latarki” w ochronie ujęć wody rzecznej AQUANET S.A. w Poznaniu

Bioluminescencja w przyrodzie i jej wykorzystanie

Emisja światła to niezwykła i rzadko spotykana w przyrodzie właściwość organizmów żywych. Można ją obserwować u niektórych zwierząt morskich, żyjących na znacznych głębokościach (np. ryby, kałamarnice). Zjawisko to nosi nazwę bioluminescencji i polega na przemianie energii chemicznej na światło widzialne. Jest ona efektem symbiozy zwierząt ze specyficznymi bakteriami np. Vibro fischeri. Bakteria ta jest od prawie 40 lat wykorzystywana w testach bioindykacyjnych wody, ścieków, osadów itp. Dzięki jej mierzalnym reakcjom możemy oceniać stopień toksyczności badanego środowiska.

Vibro fischeri w postaci flory bakteryjnej żyje w symbiozie np. z hawajską kałamarnicą Euprymna scolopes. Ten niewielki głowonóg (2,5 cm długości) wykorzystuje bioluminescencję bakterii do porozumiewania się z innymi osobnikami swojego gatunku, pozyskiwania pokarmu oraz w celach obronnych.

Właściwością bakterii luminescencyjnych jest brak zdolności do silnego świecenia jeśli występują one pojedynczo. Natomiast intensywnie emitują światło kiedy ich zagęszczenie jest duże, np. gdy znajdują się one w koloniach albo w zawiesinach. Dlatego nadają się do wykorzystania w biotestach oraz w jedynym jak na razie, systemie biomonitoringu.

Monitoring ciągły toksyczności wody ujmowanej dla wodociągów.

Amerykańska firma Modern Water wykonuje unikalny system Microtox® CTM, do Ciągłego Monitoringu Toksyczności Wody (ang. CTM – Continuous Toxicity Monitoring). Mierzy on chemiczną toksyczność wody na ujęciu, dając stałe wskazania jej jakości. Urządzenie działa w pełni automatycznie, wykonując pomiary on – line w czasie rzeczywistym. Dzięki bardzo szerokiemu spektrum wykrywania preparatów toksycznych należy go traktować jako system bardzo wczesnego ostrzegania przed skażeniami powodowanymi obecnością co najmniej jednej z kilkunastu tysięcy znanych substancji chemicznych. Analizator umożliwia dokonanie pomiaru w regulowanym czasie ochraniając wodociąg przed zanieczyszczeniami czy nawet zatruciami. Wykrywa on skażenia niezależnie od wiedzy o potencjalnym ich pochodzeniu czy rodzaju. Microtox CTM dokonuje dwóch pomiarów na sekundę, znacząco zmniejszając ryzyko fałszywych alarmów.

Omawiane urządzenie bazuje na bakteriach bioluminescencyjnych (tzw. bioreagent), które pobiera w sposób ciągły ze specjalnego pojemnika – fermentora (ryc. 1). Jest to rodzaj chemostatu znajdującego się wewnątrz analizatora, wypełnionego płynem z zawieszonymi komórkami Vibrio fischeri. Do fermentora doprowadzane są płynne substancje odżywcze i powietrze. Temperatura w nim panująca jest kontrolowana i utrzymywana na stałym poziomie.

Próbka wody, która poddawana jest badaniu, zostaje zmieszana z odczynnikiem wstępnym (solanka) i bioreagentem (organizm morski). Następnie w punkcie tym mierzona jest emisja światła. Dalej próbka wody zostaje przetłoczona przez długą rurkę w postaci pętli (zwój czasowy), gdzie jest ona inkubowana. Po dwuminutowym przepływie ponownie mierzy się emisję światła (w tzw. punkcie bazowym), i dalej próbkę wody drenem kieruje się poza analizator. Jeśli w próbce wody będą obecne związki toksyczne, emisja światła ulega obniżeniu a urządzenie zasygnalizuje jej inhibicję.
Pomiaru emisji światła dokonuje się w także fermentorze. Pozwala to na określenie stanu (kondycji) i gęstości komórek bakterii.

Ryc. 1. Microtox CTM – schemat przepływu wody i odczytu światła

Ogromnym atutem urządzenia jest możliwość pobrania przez automatyczny próbnik wody do pojemnika na skażoną próbkę. Zostaje ona tam zgromadzona po wykryciu i potwierdzeniu toksyczności wody, aż do momentu przekazania próbki do laboratorium.

Konfiguracja urządzenia

Proces wykonywanych przez analizator testów można podzielić na trzy główne obszary (Ryc.2).

Ryc. 2. Główne moduły procesowe Microtox CTM (Ujęcie Krajkowo).

Moduł I zawiera mikroprocesor systemu z programem sterującym pracą urządzenia w sposób automatyczny i autonomiczny przez jeden miesiąc. To tutaj analizator prowadzi obróbkę danych, które zapisuje w postaci plików na karcie SD. Wszystkie one są dostępne dla operatora w dowolnym czasie. Moduł ma wbudowany serwer sieciowy, który umożliwia dostęp do danych i stanu bieżącego urządzenia za pośrednictwem standardowej przeglądarki internetowej. Parametry pracy urządzenia są wizualizowane także na ekranie dotykowym. Mikroprocesor systemu zapewnia też sterowanie zasilaniem i komunikacją zewnętrzną (LAN, WiFi, USB, sieci komórkowe – alarmowanie).

Moduł II gwarantuje stały dopływ próbki wody do testowania (Ryc. 3). Odpowiada on też za odprowadzenie nadmiaru wody i „ścieków”.

Ryc. 3. Moduł II – dopływ próbki wody i odpływ jej nadmiaru oraz spust „ścieków”.

Widoczny na rycinie zbiornik próbki skonstruowano tak aby zapewniał on stały przepływ próbki wody (od 100 do 200 mml/min). Rurką odprowadzającą próbkę odpływają „ścieki”, które w tym przypadku stanowią nietoksyczną mieszaninę wody, solanki i bioreagenta. Nadmiar wody ze zbiornika próbki i „ścieki” są usuwane spustem poza układ.

Jeśli Microtox CTM jest zasilany próbką wód powierzchniowych (jak w przypadku Poznania), które niosą z sobą drobne zanieczyszczenia i organizmy, badana woda najpierw przepływa przez zgrubny filtr mechaniczny o porowatości 100 mikronów.

Fundamentem systemu jest moduł III. Znajduje się tutaj się tzw. termobox – zamykany i izolowany cieplnie „kufer”. Gwarantuje on utrzymanie stabilnej kultury Vibrio fischeri w fermentorze poprzez kontrolę dopływu pożywki i powietrza, niezmienność temperatury +220C i mieszanie cieczy. W tej części urządzenia działa rozbudowana automatyka strumieniowa, w której wykorzystuje się pracę aż 5 pomp perystaltycznych. Omawiany moduł jest zabezpieczony przed wyciekami wewnętrznymi. Są one identyfikowane przez układ optycznego wykrywacza cieczy.

Zalety urządzenia:

• faktyczny monitoring w czasie rzeczywistym,
• 4-tygodniowy cykl autonomicznej, bezobsługowej pracy,
• brak potrzeby obsługi poza comiesięcznymi przeglądami i wymianą odczynników,
• automatyczne diagnozowanie usterek i błędów systemu,
• zdalna analiza danych, problemów i kontrola procesu,
• wykrywanie tysięcy substancji chemicznych na poziomach niższych niż większość innych systemów bioindykacyjnych,
  identyfikacja skażeń wody – ochrona wodociągu przed zanieczyszczeniami czy nawet zatruciami (wzrost bezpieczeństwa produkcji i spożycia wody pitnej).
• automatyczne czyszczenie,
• wiarygodność wyników, zapewniona przez automatyczne prowokacje – potwierdzenia właściwego działania bioreagenta i części
• mechanicznych systemu,
• elastyczność systemu – wiele parametrów ustawia się indywidualnie, w tym poziom alarmu,
• ilościowy wynik (w procentach) informujący o poziomie zagrożenia,
• monitoring trendu (narastanie lub spadek zagrożenia),
• obiektywne wyniki (organizmy pochodzące z czystej hodowli laboratoryjnej),
• uwzględnianie tła toksyczności,
• łatwa interpretacja wyniku,
• szybka reakcja na skażenia – tylko 2 min. od pobrania próbki wody do otrzymania wyniku,
• zdalne wyjście sygnału alarmowego na wiele systemów,
• zautomatyzowane pobieranie próbki wody do badań po wykryciu i potwierdzeniu skażenia,

Przeznaczenie:

• detekcja celowych bądź przypadkowych skażeń wody i ścieków oczyszczonych,
• ochrona ujęć wody,
• badanie wody w określonym punkcie poboru lub w sieci dystrybucyjnej,
• wykonywanie monitoringu rzek, jezior, zbiorników wodnych, wód przybrzeżnych, ujęć głębinowych i powierzchniowych, wody
• wodociągowej nieuzdatnionej jak i uzdatnionej.

Wykrywane związki:

Microtox CTM automatycznie i w tym samym czasie wykrywa szeroki zakres toksyn włączając w to metale, pestycydy, fungicydy, herbicydy, rozpuszczalniki na bazie chloru, związki chemiczne używane w przemyśle i toksyny sinicowe. Tak obszerne spektrum działania umożliwia wykrywanie szkodliwych związków w wodzie bez potrzeby wykonywania dokładnych, pracochłonnych i drogich testów laboratoryjnych.

Praktyczne zastosowanie:

Firma AQUANET S.A. Poznań jako pierwsza w Polsce i druga w Europie, zainstalowała dwa systemy Microtox CTM do ochrony Ujęć przed skażeniami wody z rzeki Warty. Są to Ujęcia Dębina (Stacja Uzdatniania Wody Poznań) i Krajkowo (Stacja Uzdatniania Wody Mosina). Ale jedynie w Poznaniu urządzenia te pracują na wodzie powierzchniowej (inne pracują na wodach podziemnych lub wstępnie uzdatnionych).

Należy dodać, że AQUANET prowadzi szeroki program prewencyjny zabezpieczenia jakości wody dostarczanej do mieszkańców aglomeracji poznańskiej, co jest związane z odpowiedzialnością wobec odbiorców wody. Jego istotnym elementem jest ochrona i monitoring jakości wody pobieranej z rzeki Warty przy użyciu systemu Microtox CTM.

***

Podsumowując należy podkreślić, że w odróżnieniu od danych chemicznych, które wskazują na stężenie badanej substancji w wodzie, dzięki organizmom wskaźnikowym ocenia się potencjalnie szkodliwe oddziaływanie równocześnie wielu takich czynników.

W literaturze bioindykatorami określa się osobniki wybranych gatunków, które w trakcie badań z ich udziałem, wykazują pewne charakterystyczne cechy, czy zmiany, możliwe do zaobserwowania, a będące ich reakcją na negatywne oddziaływanie różnych czynników szkodliwych. Należy do nich na pewno bakteria luminescencyjna Vibrio fischeri wykorzystana w pionierskim systemie biomonitoringowym Microtox CTM, który zastosowany w wodociągach, podnosi bezpieczeństwo produkcji wody pitnej.