Exploring the full information content of genetic faecal markers for next generation water safety management

Abstract

Die fäkale Verunreinigung von Wasser ist die Hauptursache für wasserübertragbare Krankheiten, und wird seit über einem Jahrhundert durch die kultivierungsbasierte Detektion von bakteriellen Fäkalindikatoren nachgewiesen. Genetische Methoden bieten nun neue Möglichkeiten zur Analyse der fäkalen Verunreinigung von Wasser. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, wie genetische Fäkalmarker zukunftsweisendes Wassersicherheitsmanagement unterstützen können, und insbesondere darin, wie sie in die Einschätzung von Gesundheitsrisiken einbezogen werden können. Dieses Ziel wurde durch eine systematische Literaturanalyse und zwei Fallstudien verfolgt. Der Review Artikel stellt eine systematische Analyse der Anwendungsbereiche sowie der wichtigsten Forschungsfragen und Studiendesigns auf dem Gebiet der genetischen Fäkalmarker dar. Grundlage dieses Artikels ist die Analyse von über 1000 wissenschaftlichen Veröffentlichungen auf diesem Gebiet, wobei der Nachweis von Fäkalkontamination und deren Herkunftsbestimmung als die derzeitigen Hauptanwendungsbereiche ermittelt wurden. Bei der ersten Fallstudie handelt es sich um eine umfassende mikrobielle Herkunftsbestimmung, bei der die Donau und ihre Augebiete in Wien untersucht wurden. Die Ergebnisse der wirtsassoziierten genetischen Fäkalmarker deuten darauf hin, dass die Donau in erster Linie durch menschliche Abwässer belastet ist, während die Auen von mehreren Fäkalverschmutzungsquellen betroffen sind. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde in der zweiten Fallstudie eine Szenarioanalyse durchgeführt. Hierbei wurden die Auswirkungen von Veränderungen im Einzugsgebiet einerseits auf die mikrobiologische Wasserqualität der Donau bei Wien sowie andererseits auf die daraus resultierenden mikrobiologischen Behandlungsanforderungen für eine sichere Trinkwasserversorgung untersucht. In dieser Studie wurden genetische Fäkalienmarker für das Setup und für die Kalibrierung eines kombinierten Modells, das aus ein mikrobiologisches Transportmodell für das Einzugsgebiet und ein gesundheitliches Risikoabschätzungsmodell (QMRA) besteht, verwendet. Das zweite Ziel der Arbeit bestand darin, die Einsetzbarkeit von Enzymaktivitätsmessungen (z. B. β-D-Glucuronidase, GLUC) zum Nachweis fäkaler Verunreinigungen sowie deren Anwendbarkeit für die Online-Überwachung von Fäkalkontamination zu bewerten. Die Analyse der veröffentlichten Literatur ergab, dass derartige Schnelltestverfahren bereits etabliert sind, die Aussagekraft so gewonnener Daten allerdings noch diskutiert wird.

Faecal contamination of water is the primary origin of waterborne diseases and has been tested for using cultivation-based faecal indicator organisms for over a century. Genetic methods now allow new opportunities to analyse faecal contamination in water. The first, main objective of the thesis was to explore how genetic faecal markers may support next generation water safety management, and in particular, how they may be incorporated into health risk assessment. This objective was addressed through a systematic literature review and two case studies. The literature review provides a systematic analysis of application areas, key research questions and study designs in the scientific field of genetic faecal markers based on over 1000 publications. Faecal pollution detection and microbial source tracking, i.e., the tracking of the biological source of faecal pollution, were found to be the current core application areas. The first case study is comprehensive microbial source tracking investigation that assessed the Danube River and its floodplains at Vienna. The host-associated genetic faecal marker results indicate that the Danube is primarily impacted by human wastewater, while the floodplains are affected by mixed sources of faecal pollution. Based on these findings, the second case study was a scenario analysis of catchment changes and their impacts on the microbiological river water quality of the Danube River at Vienna, and the on the microbiological treatment requirements for safe drinking water supply. In this study, genetic faecal markers were employed to guide the setup and to calibrate a combined catchment microbial fate and transport and QMRA model. The second objective of the thesis was to assess the faecal indication capacity and field applicability of enzyme activity measurements (such as β-D-glucuronidase, GLUC) for online faecal pollution detection. The analysis of the published literature found that this method of rapid microbiology is an established method but open questions remain regarding its interpretation.