Actief slib en Legionella

Levenscyclus

Legionella groeit en vermeerdert zich bij voorkeur in protozoa, zoals amoeben. De levenscyclus van legionella bestaat uit tenminste twee fasen, de transmissieve fase en de replicatieve fase. Tijdens de replicatieve fase vermeerderen de Legionellabacteriën zich in de protozoa. De bacteriën zijn in deze replicatieve fase onbeweeglijk, lang en filamenteus (draadvormig). De legionellabacteriën onttrekken voedingsstoffen uit hun gastheer. Als de voedingsstoffen opraken, veranderen de nakomelingen en gaan ze over in de transmissieve fase. De nakomelingen ontsnappen uit hun gastheer. Ze kunnen buiten de gastheer overleven en gaan op zoek naar een nieuwe gastheer. De bacteriën in deze transmissieve fase zijn korte en erg beweeglijke staafjes [Bron RIVM]. Legionellabacteriën kunnen zich onder ideale omstandigheden in 99 minuten vermenigvuldigen [Bron WHO].

Protozoa in afvalwater

Protozoa bevinden zich bijvoorbeeld in de biofilm van leidingmateriaal, maar ook in afvalwater. Protozoa kunnen naar de manier waarop ze voortbewegen in vier groepen worden verdeeld:

1. Flagellata, Flagellaten of zweepdiertjes.
2. Ciliophora, Ciliaten of trilhaardiertjes.
3. Amoebozoa, Amoeben of Sarcodina.
4. Apicomplexa of sporediertjes.

Legionella ontwikkelt zich niet in alle protozoa. Vooral van amoeben is bekend dat ze als gastheer kunnen dienen. Er zijn zo’n 20 soorten amoeben als gastheer beschreven [Bron WUR]. Ook van enkele Ciliaten is bekend dat ze als gastheer kunnen dienen, waaronder Paramecium caudatum [Bron].

Amoeben worden vaak opgedeeld in twee soorten: schaalamoeben en naakte amoeben. Vooral van naakte amoeben is bekend dat ze als gastheer voor Legionella kunnen dienen [Bron]. De volgende amoeben komen in afvalwater voor [Bron, Bron]:

• Schaalamoeben
  • Arcella: Kan als gastheer dienen voor Legionella [Bron].
  • Euglypha: Legionellagroei is beperkt [Bron].
  • Centropyxis: Kan als gastheer dienen voor Legionella [Bron].
  • Trinema [Bron]: Geen informatie in relatie tot Legionella kunnen vinden.
  • Bullinularia [Bron]: Geen informatie in relatie tot Legionella kunnen vinden.
  • Difflugia [Bron]: Geen informatie in relatie tot Legionella kunnen vinden.
• Naakte amoeben
  • Hartmannella vermiformis: Kan als gastheer voor Legionella dienen.
  • Naegleria: Kan als gastheer voor Legionella dienen.
  • Acanthamoeba: Kan als gastheer voor Legionella dienen.

Actief slib

Actief-slibvlokken zijn conglomeraten van levende en dode bacteriecellen, waaronder vaak ook draadvomende soorten, geprecipiteerde zouten en ingevangen anorganische deeltjes (zand) en organische vezels. Het geheel wordt bij elkaar gehouden door een slijmmatrix van polymere verbindingen rond de cellen en chemische bindingskrachten [Bron STOWA]. In actief slibinstallaties kunnen protozoa uitgroeien tot 3-20 x 10⁶ cellen/l. Geschat wordt dat de protozoa-biomassa waarden van 250 mg/l (droog gewicht) kan bereiken, wat meer dan 9% van de vluchtige vaste stoffen uitmaakt [Bron].

De vorm van actief-slibvlokken varieert van afgerond tot onregelmatig. Een zuivering werkt optimaal als er afgeronde vlokken aanwezig zijn. Het slib bezinkt dan ook het beste. Bacteriën vormen vlokken om zich in voedselarme milieus te handhaven. De noodzaak om vlokken te vormen neemt af naarmate meer voedsel beschikbaar is en snelgroeiende soorten in de populatie gaan domineren. De stevigheid van de vlokken wordt daarom vooral bepaald door de slibbelasting. Slibbelasting is de verhouding tussen voedingsstoffen en gevormde biomassa. Bij een lage slibbelasting worden stevige vlokken gevormd en overheersen gramnegatieve bacteriën (Legionella is gramnegatief). Bij een hoge slibbelasting wordt het slib onregelmatiger neemt het aantal snelgroeiende prampositieve bacteriën toe [Bron STOWA].

Bij de opstart van een actief slibinstallatie zijn drie fasen te onderscheiden. In het begin zijn nog weinig voedingsstoffen aanwezig. Flagellaten overheersen, omdat ze weinig voedingsstoffen nodig hebben. In de tweede fasen groeien vrij-zwemmende Ciliaten. Vervolgens hechten zich kruipende en aangehechte Ciliaten aan de slibvlokken. Bij de derde fase, de stabilisatiefase, ontstaat een evenwicht tussen slibgroei en slibafvoer [Bron].

Losse cellen maken geen deel uit van de slibvlok en zijn vrij in het water aanwezig. De cellen bezinken niet en zorgen voor een verslechtering van de effluentkwaliteit. Bij een korte slibverblijftijd of hoge slibbelasting (boven 0,3 tot 0,4 kg BZV/kg d.s.·dag) zijn veel losse cellen aanwezig.

 

Samenstelling actief slib in relatie  tot Legionella

Legionella kan verschillende protozoa als gastheer gebruiken. Microscopische analyse van actief slib kan een indicatie geven welke Legionellagroeibevorderende protozoa aanwezig zijn.

Ciliaat Paramecium kan Legionella bevatten. Deze vrij-zwemmende ciliaat (pantoffeldiertje) zijn vooral aanwezig bij een slibbelasting van 0,1 tot 0,3 kg BZV/kg d.s.·dag [Bron STOWA].

Naakte amoeben kunnen 50 tot 400 µm groot worden. Naakte amoeben komen vooral voor bij een hogere slibbelasting van 0,1 tot 0,4 kg BZV/kg d.s.·dag en/of zuurstoftekort. In laagbelaste systemen met een vergaande nutriëntenverwijdering worden ze daarom slechts zelden waargenomen [Bron STOWA]. Vrij-zwemmende amoeben kunnen in alle processtappen van een zuivering voorkomen. Zowel in het influent, de anaerobe reactor als de aerobe reactor bij een zuivering in Zuid-Afrika zijn vrij-zwemmende amoeben gedetecteerd [Bron].

Schaalamoeben komen in grote aantal voor bij laagbelast slib. Arcella kan als gastheer voor Legionella optreden en is de meest gangbare soort. Arcella komt vooral voor onder nitrificerende condities [Bron STOWA]. Euglypha worden ook regelmatig in aeratietanks aangetroffen [Bron]. De Legionellagroei in Euglypha is beperkt [Bron].

Schaalamoeben komen meestal in jong slib voor, maar kunnen ook groeien tijdens plotseling hoog biochemisch zuurstofverbruik (BZV of BOD). Ook na verstoringen kan de groei van schaalamoeben plotseling hoog zijn [Bron]. Schaal- en naakte amoeben kunnen goed overleven met een lage hoeveelheid opgeloste zuurstof [Bron].

Bij oud slib, in aanwezigheid van raderdiertjes en nematoden, kunnen er plotseling grote concentraties schaalamoeben ontstaan [Bron].

Theoretisch kunnen bacteriën zich alleen in actiefslib ontwikkelen als hun vermenigvuldigingstijd korte is dan de slibleeftijd. Legionellabacteriën kunnen zich onder ideale omstandigheden in 99 minuten zich vermenigvuldigen [Bron WHO].

Concluderend kan Legionella onder verschillende omstandigheden binnen protozoa overleven. Afgaande op de hoeveelheid beschikbare literatuur zijn vooral vrij-zwemmende amoeben de belangrijkste gastheer voor groei, dan wel verspreiding, van pathogenen. Nader onderzoek is nodig om de relatie tussen protozoa en optimale Legionellagroei vast te stellen. Een aantal industriële zuiveringen worden gekenmerkt door grote fluctuaties in Legionellaconcentraties. Slibonderzoek kan hier mogelijk een verklaring voor geven.

Temperatuur

De temperatuur is bepalend voor de groei (vermenigvuldiging) en het afsterven van Legionellabacteriën.

• Onder 20°C: vrijwel geen groei
• 20 tot 50°C: in staat om te groeien
• 32 tot 42°C: optimale temperatuur om zich te vermenigvuldigen
• 48 tot 50°C: kan overleven maar vermenigvuldigt zich niet
• 50°C: 90% sterft binnen 80-124 minuten
• 60°C: 90% sterft binnen 2 minuten
• 70°C: Legionella sterft vrijwel meteen

Op laboratoriumschaal is onderzoek gedaan naar de groei van Legionella in actief slib bij temperaturen van 15, 24 en 35°C. Bij een temperatuur van 35°C groeit Legionella pneumophila exponentieel. Bij een temperatuur van 15°C hebben Legionella species de overhand. Het onderzoek toont aan dat temperatuur de belangrijkste parameter is in de groei van Legionella in actief slib [Bron].

Het RIVM concludeert voor biologische afvalwaterzuiveringen het volgende [Bron RIVM]:

• < 25°C of > 45°C: Vermeerdering tot hoge concentraties Legionella pneumophila niet te verwachten. Enige groei is niet uitgesloten.
• 25-29°C of 39-45°C: Vermeerdering tot hoge concentraties Legionella pneumophila is aannemelijk.
• 30-38°C: Vermeerdering tot hoge concentraties Legionella pneumophila is zeer aannemelijk.

Hydroscope heeft bij 12 warme reactoren 235 Legionellamonsters genomen. Per 5°C temperatuurverhoging neemt de Legionellaconcentratie met een logfactor toe.

Voedingsstoffen

Vooral in afvalwater van industrieën met een hoog eiwit- en aminozuurgehalte worden hoge concentratie Legionella gedetecteerd [Bron]. Daarnaast heeft Legionella zuurstof nodig om te kunnen overleven. Een pH tussen 5,5 – 9,2 is ideaal voor Legionellagroei.

Bij de volgende type industrieën is Legionella in afvalwater aangetoond [Bron RIVM]:

• Levensmiddelen
• Papier en hout
• Petrochemie
• Destructiebedrijven
• Rioolwaterzuivering
• Textielindustrie (recente case)
• Mestverwerking (eigen ervaring Hydroscope)

In Duits onderzoek zijn twee reactoren met elkaar vergeleken. Een volledig gemengde reactor met 2,5 dag verblijftijd en een membraanbioreactor met 10 dagen verblijftijd. De Legionellabacteriën groeide bij 35°C tot verschillende concentraties uit. Bij de gemengde reactor bedroeg de Legionellaconcentratie 3 × 10³ tot 4,8 × 10⁶ KVE/l. Bij de membraanbioreactor bedroeg de concentratie 3 × 10⁵ tot 4,7 × 10⁶ KVE/l. De morfologie van Legionellabacteriën is verschillend in beide reactoren. In de membraanbioreactor groeien de bacteriën in clusters, terwijl in de gemixte reactor filamenten overheersen en een hogere groeisnelheid vertonen.

Uit onderzoek bij drie afvalwaterzuiveringsinstallaties is gebleken dat er een positieve correlatie bestaat tussen Legionella species en CZV, Kjeldahl stikstof en eiwitconcentratie [Bron].

Belemmerende groeifactoren

Lage concentraties zout (0,1-0,5 procent NaCl) bevorderen de groei van Legionella in water. Een hoge zoutconcentratie kan Legionellagroei belemmeren. Onderzoek naar zeewater heeft aangetoond dat Legionellabacteriën kunnen overleven tot zoutconcentraties van 3% NaCl bij een temperatuur van 4°C en 20°C. Ook amoebes kunnen overleven in zout water [Bron]. Bij temperaturen van 30°C en 37°C neemt de Legionellaconcentratie af bij een zoutgehalte boven 1,5% NaCl [Bron].

Heterotrofe bacteriën, zoals Pseudomonas spp. en Aeromonas spp. kunnen de groei van Legionella remmen [Bron]. Deze bacteriën gebruiken dezelfde voedingsstoffen als Legionella. Ze concurreren met elkaar, of scheiden stoffen uit die legionellabacteriën afdoden.

De aanwezigheid van hoge concentraties organische zuren en ammonium in anaëroob voorbehandeld afvalwater veroorzaakte groeiremming [Bron].

Aminozuren kunnen ook belemmerend zijn bij de groei van Legionellabacteriën. Actiefslibmonsters hebben ondanks hoge concentraties aminozuren toch uitgewezen dat Legionellagroei mogelijk is. Dit zou kunnen betekenen dat Legionellabacteriën zich binnen protozoa vermenigvuldigen [Bron].

Onderzoek naar Legionellabestrijding in afvalwater heeft aangetoond dat UVc-behandeling, koper-zilver-behandeling, waterstofperoxide, chloordioxide en ozon niet effectief zijn. De amoeben bieden de Legionellabacteriën voldoende bescherming [Bron].