Applicability of escherichia coli and intestinal enterococci as water quality indicators in a temperate alluvial backwater and large river system

Abstract

Microbiological quality monitoring of water resources for human use has been based on the so called standard fecal indicator bacteria (SFIB) like Escherichia coli and intestinal enterococci for more than 100 years. In the last decades there has been more and more evidence that under appropriate conditions they can also replicate in non-intestinal environments like soil, sand or algae. The aim of the PhD work was to evaluate Escherichia coli and intestinal enterococci as fecal indicators for general fecal pollution in an alluvial backwater area (PA area) of the River Danube in the east of Austria. Therefore, available monitoring results from a whole decade for the River Danube were presented and classified using a five-step classification scheme for fecal pollution. Furthermore, a systematic comparison of the occurrence of SFIB in the excreta of wild homeothermic and poikilothermic animals inhabiting the PA area is described. Surprisingly, the average concentrations of E. coli and intestinal enterococci in the fecal material of poikilotherms were equal to or only slightly lower than those observed in homeothermic animals. The newly established estimate (metric) of the daily excreted SFIB loads further supported the importance of poikilotherms as potential fecal pollution sources. Depending on the habitat, a certain “background contamination” level from poikilotherms must be regarded in future. Finally, the fecal pollution sources of the PA area, i.e. autochthonous vs. allochthonous and human vs. animal, were examined by combining SFIB data with information on river connectivity (2-D hydrodynamic surface water model) and genetic microbial source tracking markers. By applying this approach the occurrence, dynamics and origin of fecal pollution could be explained in detail. It could be demonstrated that SFIB are still valuable indicators in alluvial backwater systems, especially if investigations are extended with complementary methods.

Das mikrobiologische Qualitätsmonitoring von Wasserressourcen für den menschlichen Gebrauch basiert seit über 100 Jahren auf den sogenannte Standardfäkalindikatorbakterien (SFIB) wie Escherichia coli und intestinale Enterokokken. In den letzten Jahrzehnten gab es mehr und mehr Hinweise, dass sie sich auch in nicht-intestinalen Habitaten wie Boden, Sand oder Algen unter geeigneten Bedingungen replizieren können. Das Ziel der Dissertation war Escherichia coli und intestinale Enterokokken als Indikatoren für generelle fäkale Verunreinigung in einem Augebiet (PA Gebiet) der Donau im Osten Österreichs zu evaluieren. Dafür wurden verfügbare Monitoring-Resultate der Donau von einem ganzen Jahrzehnt anhand eines 5-stufigen Einteilungsschemas für fäkale Verunreinigung klassifiziert. Weiters wurde ein systematischer Vergleich über das Auftreten von SFIB in Fäkalien von homeothermen und poikilothermen Wildtieren des PA Gebietes vorgenommen. Die mittleren Konzentrationen von E. coli und intestinalen Enterokokken in den Ausscheidungen der Poikilothermen waren vergleichbar mit jenen der homeothermen Tiere. Die neu etablierte Abschätzung der täglich produzierten SFIB Menge bestätigte ebenfalls die Bedeutung von Poikilothermen als potentielle Eintragsquelle. Zukünftig muss von einer gewissen „Hintergrundbelastung“ durch Poikilotherme ausgegangen werden. Schließlich wurden fäkale Verunreinigungsquellen, also autochthon vs. allochthon und menschlich vs. tierisch, für das PA Gebiet untersucht, wofür SFIB Daten gemeinsam mit Informationen über die Fluss-Konnektivität (2-D Oberflächenwassermodell) und genetischen Fäkalmarkern ausgewertet wurden. Durch diese Vorgangsweis konnte das Auftreten, die Dynamik und die Herkunft von fäkaler Verunreinigung detailliert aufgeklärt werden. Es konnte gezeigt werden, dass SFIB wertvolle Fäkalindikatoren für Au-Gebiete sind, insbesondere wenn sie mit komplementären Methoden ergänzt werden.