Voda je nezbytnou součástí života, je obsažena v každé živé buňce, a právě buňky (mikroorganismy) nás informují o kvalitě vody, jejích vlastnostech a případném využití.
Ke studiu vlastností vody z pohledu technologických procesů úpravy vody, jejího čištění a případně i recyklace neodmyslitelně patří obor hydrobiologie a mikrobiologie. Hydrobiologie je založená na znalosti ekologických souvislostí týkajících se životních požadavků mikroorganismů obývajících vodní prostředí, a ke studiu biotopu (prostředí/prostoru) a biocenóz (mikro/organismů) používá převážně mikroskopické metody. Mikrobiologie doplňuje informace o stavu biotopu a struktuře biocenóz na mikrobiální úrovni, kterou je možné identifikovat na základě kultivačních stanovení populací bakterií, mikromycet (plísně a kvasinky) a virů (somatické kolifágy). K detailnější specifikaci genomu mikroorganismů se využívají molekulárně biologické metody (amplifikační, sekvenační).
Mikroorganismy, různých taxonomických a trofických úrovní, jsou biologické indikátory stavu prostředí a podmínek, probíhajících procesů, stavu technologií apod. Z výsledků kvalitně a cíleně provedeného komplexního biologického rozboru by měl být technolog schopný vyvodit patřičné závěry a učinit zásadní opatření v provozu.
Hydrobiologické a mikrobiologické souvislosti se významně uplatňují například při:
- posuzování ekologického stavu vodních útvarů povrchových a podzemních vod;
- studiu eutrofizace a acidifikace, znečišťování a samočištění (saprobiologie);
- hodnocení stavu nebo účinnosti vodárenských a čistírenských technologií (audity technologických procesů a optimalizace jejich provozu);
- hodnocení procesních chladicích vod (koroze, biofilmy, účinnost biocidních přípravků);
- zjišťování účinnosti nově zaváděných materiálů, přípravků a prostředků (laboratorní i poloprovozní testy);
- detekci patogenních a podmíněně patogenních mikroorganismů, mikropolutantů a genů antibiotické rezistence;
- biotechnologickém využití.
Řešená témata a vědeckovýzkumné otázky
Naše pracovní skupina propojuje znalosti mikrobiologie a hydrobiologie, a aplikuje je při řešení různých technologických, ekologických a vědeckovýzkumných otázek, kterými jsou např. tyto oblasti:
Monitoring stavu vodních útvarů
Podle Rámcové směrnice v oblasti vodní politiky 2000/60/ES je prováděno hodnocení ekologického stavu lokality (rybník, nádrž, tok apod.) na základě vzorků vody a nárostů, sledovanou hlavní biologickou složkou je plankton a bentos. Provádí se posuzování vlivů připravovaných nebo stávajících záměrů (staveb, činností a technologií) na životní prostředí. Projekt, kterým jsme se významně zabývali, byla rozsáhlá hydrická rekultivace zatápění zbytkové jámy lomu Most-Ležáky. Výsledkem projektu byla komplexní metodika kvantifikace ekologických dopadů hydrické rekultivace hnědouhelných dolů. Monitoring stavu vodních útvarů se významně rozvíjí v další vědeckovýzkumné otázce zaměřené na hydrobiologický průzkum vodárenských nádrží.
Hydrobiologický průzkum vodárenských nádrží
Monitoring stavu vodních útvarů se významně uplatňuje při hodnocení vhodnosti surové vody pro úpravu na vodu pitnou a dále pak zjištění některých příčin technologických závad řešených na vodárenské lince. Těmito projevy jsou např. původci organoleptických závad (fytoplankton, sinice, bakterie, streptomycety apod.) a produkce sekundárních metabolitů. Na základě znalostí preferencí a požadavků mikroorganismů na prostředí (nutrienty, zdroje energie, další abiotické faktory, přírodní asociace) je možné optimalizovat technologické procesy a vhodnější využívání zdrojů surové vody. Projekty, kterými jsme se zabývali, byly zaměřené na detekci mikroorganismů obtížně odstranitelných vodárenskými technologiemi, např. pikoplanktonní mikroorganismy (prokaryotní sinice a eukaryotní řasy) a producenty sekundárních metabolitů, např. geosminu a 2-MIB (streptomycety, aktinomycety). Projekty se významně promítají do dalších hodnocených problémů, kterými je kvalita voda (hygiena, indikátorové organismy), biologická stabilita pitné vody (stupeň degradace, progrese tvorby biofilmů, sekundární kontaminace) a udržitelnost kvality vody v distribuci.
Hygiena vody – Degradace jakosti pitné vody při její dopravě a akumulaci
Hygiena vody, resp. bezpečná pitná voda (Plány bezpečného zásobování pitnou vodou – Water Safety Plans, Riziková analýza – Risk assessment a HACCP), je v celém systému zásobování za podmínek zabránění kontaminaci vody, kdy přítomné znečišťující látky a mikroorganismy jsou úplně, popř. částečně odstraněny a jejich limity splňují požadavky na jakost a nezávadnost pitné vody podle platných legislativních požadavků. Významném atributem je zabránění sekundární kontaminaci během akumulace, distribuce a manipulace s pitnou vodou (vodojemy, distribuční sítě). V rámci této vědeckovýzkumné otázky se propojují opět hydrobiologické a mikrobiologické souvislosti, využívají se mikroskopické a kultivační analýzy, cíleně jsou voleny indikátory primární i sekundární kontaminace, pro hodnocení se odebírají vzorky vody a nárostů (biofilmů). Projekty, kterými jsme se zabývali, byly zaměřené na specifikaci vnějších i vnitřních faktorů se zásadním vlivem na udržení jakosti vody ve vodojemech a v distribuční síti a výstupem byly legislativní předpisy (Technické doporučení I-D-48 Konstrukční uspořádání, provoz a údržba vodojemů, norma ČSN 75 5355 Vodojemy). Při řešení eliminace sekundární kontaminace byl vyvinut prototyp vzduchového filtračního zařízení, osazovaného do větracích průduchů ve vodojemech.
Technologicko-biologické audity provozů s vodami
Systematickým a důsledným řešením nikoliv následků, ale příčin a jejich projevů v technologii, přispíváme při řešení závad biologického původu v provozech s vodami v rámci auditů. Tyto audity se významně uplatňují v technologiích s úpravou vody, kdy zjišťujeme původce zhoršené kvality upravované vody, neúčinnost separace (koagulace, filtrace atp.), neúčinnost dezinfekce (chlorace, UV, ozonizace), negativní projevy v distribuci (vodojemy, distribuční sítě). Do této oblasti a předmětu zájmu patří i technologické linky provozů s chladicími vodami, kde per partes hodnotíme vhodnost a účinnost nejen technologie, ale i dávkování biocidů a kondicionačních přípravků.
Biofilmy a koroze
Mikroorganismy (bakterie, mikromycety) se obecně vyskytují v jednom ze dvou typů populace, a to buď jako planktonické (volně se vyskytující) nebo ve formě biofilmu (přisedlé). Biofilm je definován jako společenstvo mikroorganismů, které je spojeno s povrchem a je uzavřeno v matrici extracelulárních polymerů. Tvorba biofilmu je pro mikroorganismy základním mechanismem přežití, neboť oproti mikroorganismům vyskytujícím se v planktonické formě poskytuje řadu výhod, kterými jsou větší přístup k živinám, větší stabilita, zvýšená interakce mezi organismy a v neposlední řadě ochrana před viry a biocidními sloučeninami. Na tvorbu biofilmů mají vliv nejen nutriční vlastnosti média, ale také teplota, hodnota pH, koncentrace kyslíku, osmolarita a další faktory, jako např. přítomnost mikronutrientů. Biofilmy se mohou tvořit na široké škále abiotických (neživých) a biotických (živých) površích a mohou být tvořeny jedním druhem mikroorganismu či naopak z komunity odvozené od několika mikrobiálních druhů. Biofilmy vodních systémů jsou velmi složité, a kromě mikroorganismů mohou obsahovat i korozní produkty, jílový materiál, minerální krystaly a jiné neživé složky. Další skupinou jsou mikromycety (plísně a kvasinky), které mohou být součástí biofilmů a nárostů, mohou poskytovat potravu pro další mikroorganismy a rovněž mohou být indikátory sekundární kontaminace. Projekty, kterými se zabýváme, jsou zaměřené na studium vlastností vody, evokaci (proliferaci) biofilmu, přítomné organotrofní mikroorganismy ve vodě a v biofilmech (korozní kupóny, bločky). Podstatnou složkou a skupinou mikrobiálních populací v chladicích systémech podílející se na korozi povrchů, jsou bakterie z fyziologické skupiny sirných bakterií (aerobní, anaerobní i fakultativně anaerobní mikroorganismy; klostridia, sulfát redukující bakterie), železité (popř. manganové) bakterie, pseudomonády. S tímto tématem souvisí i laboratorní zjištění účinnosti přípravků anebo povrchově upravených materiálů.
Biodeteriorace, nanomateriály/nanopovrchy, fotokatalytické materiály/povrchy
V laboratorních podmínkách testujeme projevy biodeteriorace povrchů (narušení povrchů mikroorganismy), dezinfekční účinnost povrchů, případně materiálů s využitím zkušebních/testovacích organismů, kterými jsou zástupci bakterií (např. Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus), chlorokokálních řas (např. Desmodesmus subspicatus, Chlorella, Raphidocelis), zooplanktonu (Daphnia magna). Projekt, který jsme řešili, byl zaměřený na vývoj nových materiálů a technologií a ověření jejich funkčnosti pro účinné a zároveň šetrné odstraňování nežádoucích vrstev z povrchů staveb a pro preventivní ochranu povrchů před biodegradací ošetřením vhodnými biocidními prostředky. Naše pracoviště bylo součástí výzkumného centra NANOPIN, modifikovali jsme metody zkoušení povrchových vlastností materiálů nanesených na sklech, na tkaninách, v rozvodech přicházejících do kontaktu s vodou. Zabývali jsme se rovněž ekologicky šetrnou inhibicí mikroorganismů s využitím fotokatalyticky aktivních ftalocyaninů (projekt MPO). Umíme stanovit antibakteriální aktivitu povrchů dlaždic používaných v domácnostech anebo v potravinářském průmyslu.
(Eko)toxikologické hodnocení vzorků
V laboratorních podmínkách testujeme ekotoxicitu různých matric (vzorků životního prostředí, materiálů apod.) s využitím zkušebních organismů, kterými jsou chlorokokální řasy, semena hořčice bílé a perloočky.
Antibiotická rezistence
Za jednu z nejzávažnějších hrozeb lidstva současné doby je antibiotická rezistence. Přítomnost bakterií rezistentních na antibiotika (ARB) a genů antibiotické rezistence (ARGs) v prostředí vede k přímému ovlivňování zdraví člověka, zejména zvyšováním nákladů na léčebné režimy chorob, které byly dříve snadno léčitelné běžnými antibiotiky. ARGs jsou identifikovány jako nové environmentální polutanty ve vodách, přičemž hlavními zdroji ARGs v povrchových a podzemních vodách jsou splachy z povodí a čistírny odpadních vod. Naše skupina se podílí na řešení problematiky interakce čistíren odpadních vod s antibiotickou rezistencí v povrchových vodách (surové, upravované, čištěné, recyklované), v čistírenských kalech a biofilmech.
Laboratorní rozbory a analýzy složek životního prostředí (voda, kal, sediment)
Provádíme mikroskopické analýzy vzorků vody (povrchové, podzemní, technologické, upravované, čištěné, odpadní), biofilmů (koroze, nárosty), sedimentů, kalů podle platných ČSN, ČSN EN, ČSN ISO a ČSN EN ISO norem. Využíváme fluorescenční mikroskopii (vitalita fototrofních mikroorganismů) a epifluorescenční mikroskopii (Live/Dead kit). Mikroskopickým obrazem stanovíme přítomný bioseston, abioseston a saprobitu. Spektrofotometricky určíme koncentraci chlorofylu-a. Umíme kultivovat aerobní a anaerobní mikroorganismy na různé úrovni detekce, např. indikátorové organismy fekální kontaminace (koliformní bakterie, termotolerantní koliformní bakterie, Escherichia coli, intestinální enterokoky, klostridia), indikátory organického znečištění (psychrofilní a mezofilní bakterie, mikromycety, kultivovatelné mikroorganismy při 22 °C a 36 °C), indikátory koroze (železité, manganové, sulfát-redukující bakterie), patogenní a podmíněně patogenní organismy (Legionella sp., Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Salmonella sp.), somatické kolifágy. Zavádíme nové metody a zkoušky, modifikujeme metody stávající, uplatňujeme screeningové metody při rychlé detekci mikrobiální kontaminace vod (metody ATP, BART, pádlové testery). Spolupracujeme se zkušebními laboratořemi.
Pro veřejnost nabízíme tato stanovení:
- Stanovení mikroskopického obrazu (bioseston/abioseston) podle ČSN 75 7712 a ČSN 75 7713 ve smyslu vyhlášky č. 252/2004 Sb.
- Mikrobiologický rozbor pitné vody (vyhláška č. 252/2004 Sb.), povrchové vody, procesní vody apod. – kultivovatelné mikroorganismy (ČSN EN ISO 6222); intestinální enterokoky (ČSN EN ISO 7899-2); koliformní bakterie a Escherichia coli (ČSN EN ISO 9308-1; ČSN EN ISO 9308-2); Clostridium perfringens (příloha č. 6 vyhl. č. 252/2004 Sb.; ČSN EN ISO 14189); koliformní bakterie (ČSN 75 7837); termotolerantní koliformní bakterie a Escherichia coli (ČSN 75 7835); somatické kolifágy (ČSN EN ISO 10705-2; ČSN ISO 10705-3)
- Mikrobiologický rozbor přírodních a bazénových vod (vyhláška č. 238/2011 Sb.) – intestinální enterokoky (ČSN EN ISO 7899-2); koliformní bakterie a Escherichia coli (ČSN EN ISO 9803-1; ČSN EN ISO 9803-2); Pseudomonas aeruginosa (ČSN EN ISO 16266; ČSN EN ISO 16266-2); Staphylococcus aureus (ČSN EN ISO 6888-1); Legionella sp. (ČSN EN ISO 11731)
- Hodnocení kvality povrchových vod – stanovení koncentrace chlorofylu-a (ČSN ISO 10260), stanovení saprobního indexu (ČSN 75 7716), mikroskopický obraz (ČSN 75 7712)
- Mikrobiologický rozbor čistírenských kalů podle metodiky AHEM č. 1/2008 (Metodický návod pro stanovení indikátorových organismů v bioodpadech, upravených bioodpadech, kalech z čistíren odpadních vod, digestátech, substrátech, kompostech, pomocných růstových prostředcích a podobných matricích) – intestinální enterokoky (ČSN EN ISO 7899-2), termotolerantní koliformní bakterie a Escherichia coli (ČSN 75 7835), Salmonella sp. (ČSN EN ISO 6579-1)
- Specifické stanovení organismů – železité (manganové) bakterie, sulfát-redukující bakterie, mikromycety (plísně, kvasinky)
- Biologické rozbory vzorků různých přírodních matric (voda, biofilmy, nárosty, stěry, sedimenty)
- Technologicko-biologické audity
Je možné se dohodnout i na modifikaci případně přizpůsobení provedení stanovení „na míru“.
