Cyanobakterientoxine bei der Uferfiltration

Zusammenfassung

Cyanobakterientoxine sind toxische Substanzen, die von Cyanobakterien (umgangssprachlich auch Blaualgen genannt) produziert werden. Cyanobakterien können weltweit in nährstoffreichen Oberflächengewässern auftreten. Bei der Nutzung betroffener Gewässer zur Trinkwassergewinnung müssen diese Toxine zuverlässig entfernt werden. Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung sind bereits seit langem erprobte Verfahren zur Trinkwassergewinnung und -aufbereitung, bei denen natürliche Eliminationsprozesse wie Sorption und Abbau im Untergrund für die Entfernung unerwünschter Substanzen genutzt werden. Die bislang häufigsten Cyanobakterientoxine gehören zur Gruppe der Microcystine, die intra- und extrazellulär auftreten können. Für die Elimination des in der Regel überwiegend intrazellulären Toxins spielt die Zurückhaltung der Cyanobakterienzellen auf der Sedimentoberfläche eine entscheidende Rolle. Dabei werden auch in mittel- bis grobkörnigen Sanden mehr als 99,9% des intrazellulären Toxins innerhalb der erst en 10 Zentimeter Fließstrecke eliminiert. Die Elimination des extrazellulären Microcystins im Untergrund geschieht im Wesentlichen durch den biologischen Abbau, der durch Adsorptionsprozesse und damit verbundenen längeren Kontaktzeiten mit dem Sediment noch verstärkt wird. Ergebnisse aus Laborversuchen zeigen, dass die Sedimentstruktur (d. h. der Feinkornanteil sowie der Anteil an organischer Substanz) der entscheidende Parameter für die Adsorption ist. Dagegen hat das Redoxmilieu in Laborversuchen maßgeblichen Einfluss auf die Abbauraten: Während unter aeroben Bedingungen die Halbwertszeiten weniger als einen Tag betrugen, wurden unter anoxischen Bedingungen deutliche Verzögerungen beim Einsetzen des Abbaus sowie Halbwertszeiten von bis 25 Tagen ermittelt. Feldexperimente zeigten darüber hinaus, dass die Temperatur die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus ebenfalls entscheidend beeinflusst. Unter optimalen Bedingungen ist eine Aufenthaltsdauer von 10 Tagen ausreichend, um selbst sehr hohe Microcystin-Gehalte (>100 μg/L) bis auf Werte unterhalb des WHO-Richtwertes für Trinkwasser (1 μg/L) zu reduzieren. Unter ungünstigen Bedingungen ist dafür eine Aufenthaltsdauer von bis zu 90 Tagen nötig.

Abstract

Cyanobacterial toxins are substances produced by cyanobacteria or blue-green algae. They can occur in surface waters worldwide and have to be reliably removed when using affected surface waters as a drinking water source. Bank filtration has been used for 150 years for drinking water (pre-)treatment. It utilizes natural elimination processes like sorption and degradation in the sub-surface. Retention of cells on the sediment surface is the most prominent process for eliminating these primarily cell-bound toxins. Middle to coarse grained sands eliminated more than 99.9 % of intracellular toxins within the first 10 cm of flow path. Elimination of extracellular microcystin during underground passage is mainly due to biodegradation. Reversible adsorption processes do not reduce the total load but lead to longer contact times for extended biodegradation. Laboratory experiments showed that the sediment structure, i.e. high clay/silt and organic content, is crucial for maximum adsorption. However, redox conditions play an important role for degradation rates: under aerobic conditions half-lives of less than one day occurred frequently, whereas anoxic conditions resulted in lag phases of one day and more, as well as in half lives of more than 25 days. Field experiments showed that temperature is crucial for degradation velocity under natural conditions.

Under optimal conditions 10 d residence time are sufficient to reduce microcystin concentrations to values below the WHO guidelines value for drinking water (1 μg/L). Under sub-optimal conditions a residence time of up to 90 days may be necessary.