Ryzinska-Paier, G. (2012). Bacterial faecal indicators for water quality monitoring : standard and alternative investigation methods [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/158391
Escherichia coli, intestinale Enterokokken sowie Clostridium perfringens werden seit langem als bakterielle Indikatoren zum Nachweis fäkaler Einträge in Wasser verwendet. Schnelle und präzise Detektionsverfahren für diese Indikatoren sind zur Überwachung der mikrobiologischen Wasserqualität von essentieller Bedeutung. Das Ziel dieser Dissertation war es, sich mit der Gültigkeit des Indikationsprinzips auf Basis von E. coli, intestinalen Enterokokken und C. perfringens grundlegend auseinandersetzen, da kritische Stimmen die Anwendbarkeit zunehmend in Frage stellen. Darüber hinaus sollten neue Verfahren zur Bestimmung dieser Indikatoren evaluiert werden. Im ersten Teil wurde die Indikationswirkung von E. coli, Enterokokken und C. perfringens am Beispiel eines alpinen Testeinzugsgebietes in den nördlichen Kalkalpen und dessen Karstgrundwasserressource evaluiert. In Fäzes, der im Quelleinzugsgebiet vorkommenden potentiellen Kontaminationsquellen von Tier und Mensch, wurde die Prävalenz und Abundanz der bakteriellen Indikatoren ermittelt. Zudem wurden die Konzentrationen der Fäkalindikatoren unter definierten hydrologischen Bedingungen, basierend auf einem multiparametrischen Untersuchungsdesign, im Quellwasser über einen Zeitraum von drei Jahren erhoben. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl E. coli als auch Enterokokken als verlässliche und hochempfindliche Indikatoren für fäkale Einträge in alpinen Wasserressourcen verwendet werden können. Anhand der vorliegenden Untersuchung konnte die wissenschaftliche Basis zur Anwendbarkeit dieser Indikatoren in alpinen Wasserressourcen erbracht werden. Im zweiten Teil wurde die Genauigkeit zweier Bestimmungsverfahren für C. perfringens mittels molekularbiologischer Methoden wie Polymerasekettenreaktion und Sequenzierung verglichen. Der in Literatur als alternative Bestimmungsmethode vorgeschlagene Test auf das für C. perfringens spezifische Enzym saure Phosphatase wurde dem ISO/CD 6461-2:2002 Verfahren gegenübergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der Nachweis des Enzyms saure Phosphatase zur verlässlichen Identifikation von C. perfringens herangezogen werden kann. Der Test ist spezifisch, und im Gegensatz zur bisher festgelegten Vorgangsweise einfach und rasch in der Durchführung. Dies ermöglicht, dass eine große Anzahl an Isolaten überprüft werden kann, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Untersuchung erhöht. Im dritten Teil der Arbeit wurde ein neues Prinzip zur automatisierten Messung von fäkalen Einträgen in Wasser an zwei Grundwasserressourcen im Freiland getestet. Das Prinzip beruht auf der Messung der Aktivität des Enzyms beta-D-Glukuronidase (GLUC), welches seit Jahren als ein Marker für fäkalen Eintrag vorgeschlagen wird. Das Messprinzip konnte an beiden Standorten über einen Zeitraum von zwei Jahren technisch umgesetzt werden. Weitere Entwicklungspotentiale konnten identifiziert werden, mit deren Umsetzung die on-line-Erfassung der GLUC Aktivität einen wichtigen Beitrag zur Überwachung der Wasserqualität in Zukunft erbringen könnte. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass GLUC Aktivität nicht als Surrogat für den kultivierungsbasierenden Nachweis von fäkalen Indikatoren in den untersuchten Habitaten herangezogen werden kann. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Indikationskapazität von GLUC in spezifischen Prozessen oder Wasserressourcen.
Escherichia coli, intestinal enterococci and Clostridium perfringens are routinely used as bacterial indicators for tracing faecal pollution in water. Rapid and precise detection methods are essential for reliable water quality monitoring. The aim of this PhD thesis was to investigate the indicator concept based on E. coli, enterococci and C. perfringens at alpine water resources, because their applicability is currently critically debated. Furthermore, new identification and detection methods were evaluated. In the first part of the work the indication capacity of E. coli, intestinal enterococci and C. perfringens was evaluated for a representative alpine catchment area and its corresponding karstic ground water resource. The prevalence and abundance of the bacterial indicators was estimated in faeces from potential pollution sources of human, wildlife and livestock origin. Moreover the concentration of the indicators in the spring water was investigated over a time period of three years during defined hydrological conditions based on a multi-parametric investigation design. The results show that E.coli and entrococci can be used as reliable and highly sensitive indicators for faecal pollution in alpine water resources. Thus, a scientific basis for further monitoring issues could be established. In the second part of the work the accuracy of two confirmation methods for presumptive C.perfringens was compared by molecular techniques based on PCR and sequencing. An alternative method for the C.perfringens identification based on acid phosphatase was compared with the standard procedure stated in the ISO/CD 6461-2:2002. It could be demonstrated that the acid phosphatase test is a reliable confirmation method for C.perfringens and - compared to the ISO_LGMN procedure - much easier to perform. This allows investigating higher numbers of presumptive C. perfringens isolates, and thus increasing the certainty of analyses. In the third part of the work field testing of a new on-line detection concept for monitoring faecal pollution was performed. The basic principle of the determination is based on the beta-D-glucuronidase (GLUC) activity measurement. In the literature, the GLUC activity has been proposed as a marker for faecal pollution. The investigation demonstrated that the automated measuring principle could be technically realised at two ground water test sites over a time period of two years. Perspectives of automated on-line systems for water quality monitoring are discussed. The investigations also demonstrated that the GLUC activity cannot be used as a simple surrogate for cultivation-based bacterial faecal indicators at the investigated habitats. More basic research is needed on the indication capacity of the GLUC activity in regard to process and habitat monitoring.
