German Title: Bakterien in öffentlichen Schwimmbädern - Inaktivierungskinetiken, das Vorkommen von Pathogenen und der Wert von Indikatoren

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Abstract

Swimming pools and other recreational areas (e.g. hot tubs, saunas) enjoy worldwide popularity. Although procedures like disinfection are mandatory, swimming pools are commonly inhabited by diverse microorganisms potentially hazardous to human health, including viruses, bacteria, protozoans and fungi. Yet, there is a lack of comprehensive knowledge on the inactivation of microbes by disinfectants, the prevalence of pathogens in swimming pool water and the value of indicators in assessing the dangers associated. One common class of disinfecting agents used in swimming pools are chlorine compounds, both because of their effectiveness in inactivating microbes and the accompanied low costs. Using chlorine, inactivation of microbes relies on the powerful oxidizing features of these compounds. Furthermore, as chlorine remains stable in water, these compounds may be used as residual agents. However, this common practice is accompanied by considerable disadvantages. Chlorine compounds readily react with a broad spectrum of potential partners, of which microbes are only a fraction. As a result, a large variety of disinfection by-products are released, some of which are significantly unhealthy. Considering the lack of knowledge on microbial hazards, the question arises, which concentrations of chlorine are necessary and preferable in public swimming pools. The present study addresses several aspects of environmental hygiene associated with the use of chlorine in swimming pools. Two main tools in maintaining hygienic conditions are assessed: chlorine disinfection and evaluation of pool water quality using indicator bacteria. Routine data was analyzed for the occurrence of bacterial indicators. Applying MALDI-TOF techniques, it was determined which cultivable and potentially hazardous bacteria may be found in (German) public swimming pools. In order to include also less accessible and therefore less controllable parts of the microbial ecosystem of swimming pools, sand filter material was sampled and examined. Furthermore, inactivation kinetics of bacteria by hypochlorous acid were evaluated based on experiments using a setup mimicking swimming pool conditions and three exemplary test strains (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus). Raw data was fitted with several mathematical models taken from literature. In a parallel approach, chlorine consumption during the disinfection process was examined. To date, regulations on swimming pool maintenance mainly rely on practical experience rather than on empiric data from scientific studies. The present thesis is motivated by the intention to fill this gap by providing information on the topics of disinfection and monitoring. Inactivation kinetics followed comprehensible trends comparable to the results achieved in other fields of research. Chlorine consumption during this process proceeded quite fast, which presumably influenced the outcome. The results on indicators and pathogens imply that the practice of using the first to assess the presence of the latter is questionable. Especially E. coli proved very susceptible to chlorine inactivation, making it a weak indicator. For P. aeruginosa, the occurrence of survival states (small colony variants, viable but non-culturable states) is assumed. Since the assessment of hygiene relies on culture-dependent methods, this has implications for swimming pool maintenance. The Gram-positive species S. aureus was considerably more resistant to chlorine than its Gram-negative counterparts, raising the question whether it would be more reasonable to use this species as an indicator. Also, the question arises if it is acceptable that normally only bacteria are used as indicators.

Translation of abstract (German)

Schwimmbäder und vergleichbare Erholungseinrichtungen (wie z.B. Whirlpools, Saunen) erfreuen sich weltweiter Beliebtheit. Obwohl Maßnahmen wie Desinfektion Pflicht sind, werden sie für gewöhnlich von einer Vielzahl von Mikroorganismen besiedelt, von denen manche Krankheitserreger sind, wie zum Beispiel Viren, Bakterien, Protozoen und Pilze. Dennoch gibt es wenig übergreifendes Wissen bezüglich der Inaktivierung von Mikroben durch Desinfektionsmittel, das Auftreten von Pathogenen in Schwimmbadwasser und den Wert von Indikatoren zur Ermittlung der verbundenen Gefahr. Chlorverbindungen vereinen eine hohe Effizienz gegenüber Mikroben mit vergleichsweise niedrigen Kosten und werden daher gerne als Desinfektionsmittel in Schwimmbädern eingesetzt. Die Inaktivierung von Mikroben beruht dabei auf einer stark oxidativen Wirkung. Chlor bleibt in Wasser stabil, weshalb diese Verbindungen für eine anhaltende Behandlung verwendet werden können. Diese verbreitete Praxis hat jedoch auch deutliche Nachteile. Chlorverbindungen reagieren mit vielen potenziellen Partnern, von denen Mikroben nur eine Teilmenge darstellen. Entsprechend wird eine Vielzahl von Desinfektionsnebenprodukten freigesetzt, von denen einige sehr ungesund sind. Betrachtet man das fehlende Wissen in Bezug auf mikrobielle Gefahren, so stellt sich die Frage, welche Konzentrationen an Chlor in Schwimmbädern nötig und wünschenswert sind. Die vorgestellte Studie befasst sich mit einigen Aspekten der Umwelthygiene. Zwei der Schritte, die unternommen werden, um die Hygiene in Schwimmbädern zu gewährleisten, werden untersucht: die Chlordesinfektion und die Überwachung mittels Indikatorbakterien. Routinedaten wurden auf das Auftretens von Überschreitungen bezüglich einiger Indikatorbakterien hin untersucht. MALDI-TOF wurde verwendet, um zu bestimmen, welche kultivierbaren und potenziell schädlichen Bakterien in (deutschen) Schwimmbädern zu finden sind. Um dabei auch wenig zugängliche und somit schlechter zu kontrollierende Teile des Ökosystems in Schwimmbädern zu berücksichtigen, wurden außerdem Sandfilterproben untersucht. Des Weiteren wurde die Kinetik der Inaktivierung dreier exemplarischer Teststämme (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus) durch hypochlorige Säure untersucht. Hierbei kam ein Versuchsaufbau zum Einsatz, der die Bedingungen in Schwimmbädern nachstellen sollte. Die Rohdaten wurden im Anschluss mit verschiedenen mathematischen Modellen gefittet, die aus der bestehenden Literatur ausgewählt wurden. Derzeitige Standards zur Wartung von Schwimmbädern basieren hauptsächlich auf praktischen Erfahrungen und nicht auf empirisch erhobenen Daten. Die vorgestellte Studie hat zum Ziel diese Lücke zu schließen, indem sie Informationen zu den Themen der Desinfektion und der Überwachung beiträgt. Die erhaltenen Desinfektionskinetiken sind vergleichbar zu den Ergebnissen aus anderen Forschungsfeldern und zeigen nachvollziehbare Abläufe. Der Chlorverbrauch während der Desinfektion verlief allerdings recht schnell, was die Ergebnisse beeinflusst haben könnte. Die Ergebnisse bezüglich des Auftretens von Indikatorbakterien und pathogenen Keimen in Schwimmbadwasser stellen die Nützlichkeit von Indikatoren in Frage. Die Ergebnisse bezüglich Indikatoren und Pathogenen lassen es fragwürdig erscheinen erstere zu verwenden, um letztere nachzuweisen. Insbesondere E. coli erwies sich als sehr empfindlich gegenüber Chlor, was diese Art zu einem schwachen Indikator macht. Für P. aeruginosa wiederum wird das Auftreten von Überlebensstadien angenommen (small colony variants, viable but non-culturable states). Dies hat Konsequenzen für die Schwimmbadpflege, da die Ermittlung des Hygienestatus auf Kultivierungsmethoden basiert. Die Gram-positive Art S. aureus erwies sich als resistenter gegenüber Chlor als die Gram-negativen Arten, was die Frage aufwirft ob es nicht besser wäre diese Art als Indikator einzusetzen. Außerdem stellt sich die Frage, ob es unterstützenswert ist, dass normalweise nur Bakterien als Indikatoren verwendet werden.