Evaluation and application of molecular diagnostic methods for microbial water quality analysis

Abstract

Water quality associated issues can be highly complex as of the interrelation of diverse factors such as water chemistry, hydraulics, or microbial activity. Within the last years, advancements in molecular diagnostic methods, such as high-throughput sequencing (HTS) and quantitative PCR (qPCR), have revolutionized the field of microbial water quality research opening new analytical possibilities. Within this thesis the ability of molecular methods, integrated in comprehensive and multiparametric studies, to address highly complex issues in the water management sector was investigated. In addition, genetic microbial faecal source tracking (MST) markers were evaluated concerning their faecal source specificity and sensitivity in Austrian water resources, including their resistance towards treatment and persistence in a complex river matrix (Chapters 3 and 4). The first highly complex research problem, dealt within this thesis, was the impact of ships to the faecal pollution of navigable rivers, where no concept and data for the comprehensive evaluation was available. Thus, an integrative and multiparametric field-data based approach - including genetic microbial faecal source tracking - was developed and carried out at a 230 km long Danube River reach in Austria (Chapter 2). Results revealed a high pollution potential from the shipping industry in case of incorrect ship wastewater handling. Though, no correlation of the general faecal pollution and ships was observed, indicating predominant correct ship wastewater handling during the monitoring timeframe. The novel approach including the integration of molecular methods in a sophisticated framework is transferrable to other water bodies all over the world. The other highly complex research problem within this thesis was a deterioration of the aesthetical drinking water quality, by the formation of black-brown particles, at an alluvial groundwater well used for drinking water production (Chapter 5). The conducted comparative and multiparametric time-series investigation – including 16S rRNA gene amplicon sequencing – elucidated previously unreported seasonally recurring dominant microbial community patterns of Crenothrix spp., in the particle affected well. Crenothrix spp. are filamentous manganese or iron associated bacterial populations, which were already discovered 150 years ago, also in association with aesthetical drinking water deterioration. Though, no study has yet investigated the phenomena as comprehensively elucidated herein, using cutting-edge molecular methods as well as including an explanation model of the problem causing circumstances. Crenothrix spp. were proposed as a technical indicator organism for iron and manganese issues i.e., treatment failure in groundwater management. This thesis impressively demonstrates the successful integration of molecular methods into comprehensive, multiparametric investigation strategies and proves the revolutionizing aspects in water quality research and its associated management, that would otherwise remain unresolved.

Herausforderungen im Zusammenhang mit der Analyse der Wasserqualität können aufgrund der Wechselwirkungen verschiedener Faktoren wie Wasserchemie, Hydraulik oder mikrobieller Aktivität äußerst komplex sein. Die in den letzten Jahrzehnten entwickelten molekularbiologischen Methoden, wie die der DNA Hochdurchsatz-Sequenzierung (HTS) oder der quantitativen PCR (qPCR), bieten neue Möglichkeiten für die Analyse der mikrobiologischen Wasserqualität und haben bereits die wissenschaftliche Methodik weitgehend revolutioniert. In dieser Dissertation wurde untersucht, inwieweit genetische Methoden, integriert in umfassende und multi-parametrische Studien, dazu beitragen können, komplexe Fragestellungen im Wasserfach zu lösen. Darüber hinaus wurden verursacher-assoziierte genetische Fäkalmarkern zur mikrobiellen Herkunftsbestimmung fäkaler Verschmutzung - auch mikrobielle Source-Tracking (MST) Marker genannt - hinsichtlich ihrer fäkalen Spezifität und Sensitivität in österreichischen Wasserressourcen, sowie ihre Resistenz gegenüber Abwasserreinigung und UV-Licht, evaluiert (Kapitel 3). Zudem wurde ihre Persistenz in einer komplexen Flusswassermatrix im Vergleich zu standardisierten kultivierungsbasierten Fäkalindikatororganismen (FIO) untersucht (Kapitel 4). Die erste komplexe Fragestellung, die in dieser Dissertation untersucht wurde, betraf den bislang ungeklärten Einfluss der Schifffahrt auf die fäkale Verschmutzung schiffbarer Flüsse, wo bisher weder ein Konzept noch entsprechende Daten dazu vorlagen. Es wurde ein integrativer und multi-parametrischer Ansatz auf Basis von Felddaten – einschließlich Anwendung von genetischen MST Markern – entwickelt und auf einem 230 km langen Abschnitt der Donau in Österreich angewendet (Kapitel 2). Die Ergebnisse ergaben ein hohes Verschmutzungspotenzial der Schifffahrt bei unsachgemäßer Abwasserentsorgung, wobei keine Korrelation zwischen der allgemeinen fäkalen Verschmutzung und der Schifffahrt festgestellt werden konnte. Dies lässt auf eine überwiegend korrekte Abwasserentsorgung während des Untersuchungszeitraums schließen. Der neue Ansatz ist weltweit auf andereGewässer übertragbar, falls die notwendigen Navigationsdaten der Schiffe erfügbar sind. Die zweite komplexe Fragestellung, welcher in dieser Dissertation behandelt wurde, waren Untersuchungen zur Beeinträchtigung der ästhetischen Trinkwasserqualität durch die Bildung schwarz-brauner Partikel in einer alluvialen Trinkwasserressource (Grundwasserbrunnen) (Kapitel 5). Die durchgeführte vergleichende und multi-parametrische Zeitreihenuntersuchung – inklusive 16S-rRNA-Gen-Amplikon-Sequenzierung – enthüllte bislang nicht dokumentierte, saisonal wiederkehrende dominante Muster von Crenothrix spp. in der bakteriellen Gemeinschaft in dem von Partikel betroffenen Brunnenwasser. Crenothrix spp. stellen filamentöse, mit Mangan oder Eisen assoziierte Bakterienpopulationen dar, die bereits vor 150 Jahren im Zusammenhang mit ästhetischen Beeinträchtigungen von Trinkwasser gebracht wurden, jedoch bis Dato nicht eingehender im Zusammenhang mit Grundwasser untersucht wurde. Durch die multi-parametrische Analyse konnte ein Erklärungsmodell für die Partikelbildung und den hohen Anstieg der relativen Abundanzen (bis zu 82%) des Genus Crenothrix und deren Zusammenhang mit den Partikeln aufgestellt werden. Dahingehend wurde Crenothrix erstmals als technischer Indikator für Eisen- und Manganprobleme im Grundwassermanagement postuliert, welcher über qPCR oder HTS als genetische Marker zukünftig analysiert werden könnten. Diese Dissertation demonstriert die erfolgreiche Integration genetischer Methoden in umfassende, multi-parametrische Untersuchungsstrategien und zeigt das hoheInnovationspotential für die Analyse und Untersuchung der Wasserqualität im Wasserfach eindrücklich auf.