Haustech 11/2017

Das Ökosystem Trinkwasser verstehen

(Foto: Peter Frommenwiler)
Paolo D'Avino /

Frederik Hammes, Leiter der Gruppe Trinkwassermikrobiologie und Mitarbeiter 
des Kompetenzzentrums Trinkwasser am Wasserforschungsinstitut Eawag 
in Dübendorf, untersucht mit seiner Grundlagenforschung die mikrobiologische Qualität in Roh- und Trinkwasser. Damit wir in der Schweiz weiterhin hygienisches, sauber aufbereitetes Trinkwasser geniessen können.

Wasserhygiene – ein heikles Thema in der Schweiz?

Frederik Hammes: Nicht nur in der Schweiz. Wasser geht uns alle an. Ohne Wasser kein Leben. Deshalb ist das Thema sehr heikel. Verschmutztes Wasser kann schwerwiegende Folgen haben. Für die Bevölkerung, für die Landwirtschaft und für die Tiere. Deshalb setzen wir voraus, dass unser Wasser hygienisch und sauber ist.

Wann sind Sie persönlich mit unsauberem Wasser in Berührung gekommen?

In meinen letzten Wanderferien in Namibia. Ich habe dort unbehandeltes Flusswasser zu mir genommen, das wahrscheinlich nicht hundertprozentig sauber war. Danach rumorte es ein bisschen in meinem Magen. Dies ist ein typisches Symptom, wenn man mit verunreinigtem Wasser in Berührung gekommen ist. Doch es war alles halb so schlimm. Am zweiten Tag waren die Beschwerden dann schon wieder weg.

Sie arbeiten am Kompetenzzentrum 
Trinkwasser der Eawag in Dübendorf. 
Mit was beschäftigt sich das Zentrum?

Wir suchen nach Lösungen, um die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser gewährleisten zu können. Wir forschen von der Quelle bis zum Wasserhahn. Hierzu gehört die Evaluation von Verfahrenstechniken, wie der Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung. Der Fokus meiner Gruppe liegt speziell auf der Erforschung des Ökosystems Trinkwasser und auf Faktoren, die die mikrobielle Qualität beeinflussen. Bei Letzterem forschen wir unter anderem nach den Ursachen von Krankheitserreger im Trinkwasser.

Was ist das Ziel des Zentrums?

Das Kompetenzzentrum Trinkwasser setzt sich zum Ziel, trinkwasserrelevante Probleme gemeinsam mit externen Partnern, wie beispielsweise Ingenieurbüros, sowie mit Verwaltungen und Wasserversorgern über interdisziplinäre Forschungsprojekte anzugehen und Entscheidungsgrundlagen für die Praxis zu erarbeiten. Wir unterstützen Behörden, Wasserversorger wie auch externe Partner in Entscheidungsprozessen.

Dann beraten Sie auch Bauherren oder 
Wohnungseigentümer?

Nein, das machen wir meistens nicht. Zum besseren Verständnis: Wir sind ein Forschungs- und kein klassisches Beratungsinstitut. Die interdisziplinären Tätigkeiten erfolgen hauptsächlich in forschungsorientierten Projekten, und diese gehen über eine reine Ingenieursdienstleistung hinaus. Natürlich sollen die konzeptionellen und methodischen Erkenntnisse aus diesen Projekten mit interessierten Stellen geteilt werden. Das können auch Bauherren oder Wohnungseigentümer sein.

Können Sie ein Beispiel eines solchen 
forschungsorientierten Projektes nennen?

Ein gutes Beispiel der interdisziplinären Tätigkeit und angewandten Forschung war ein Projekt im Kanton Basel-Landschaft «Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21», bei welchem Laboranalysen und Untersuchungen im Feld beispielsweise Trinkwasserquellen oder Trinkwasseraufbereitungsanlagen Hand in Hand gingen. Bei diesem Projekt wurden Grundlagen für den Umgang mit bestehenden Belastungssituationen und Gefährdungen des Grund- und Trinkwassers erarbeitet sowie strukturelle Herausforderungen in der Wasserversorgung des Kantons aufgezeigt. Daraus konnten spezifische Lösungen und Konzepte zur Sicherung der Trinkwasserqualität für den Kanton entwickelt werden.

Wie ist man an ein solches Projekt 
herangegangen?

Der Kanton Basel-Landschaft ist durch urbane Gebiete in den Tälern und landwirtschaftliche Gebiete und Wälder in den Hügeln geprägt. Diese Struktur hat Auswirkungen auf die Wasserversorgungen und auf die Qualität des Grund- und Trinkwassers. Je nach Art der Wasserversorgung galt es daher unterschiedliche Herausforderungen zu meistern. Dies umfasste mikrobielle Belastungen im Rohwasser der ländlichen Gebiete, aber auch chemische Spurenstoffbelastungen aus dem Abwasser in den städtischen Gebieten. Angesichts dieser Vielfalt an Aspekten wandte sich der Kanton an die Eawag, welche Expertisen in den verschiedenen Fachdisziplinen vereint. Die unterschiedlichen Fachspezialisten bearbeiteten die einzelnen Aspekte und setzten sie untereinander sowie mit den Partnern aus der Praxis in Beziehung. Dies ermöglichte eine ganzheitliche Betrachtungsweise.

Was für Erkenntnisse haben Sie daraus 
gewonnen?

Im Kanton beziehen viele Wasserversorger ihr Rohwasser aus Karstquellen, welche aufgrund des porösen Gesteins einfach durch Oberflächenwasser verunreinigt werden können. Für uns war es wichtig zu verstehen, wie solche, beispielsweise durch Niederschläge verursachte, Kontaminationen zeitlich verlaufen, um damit Optionen für den Umgang damit zu erarbeiten. Mangels geeigneter Technologien entwickelten wir eine Automatisierungseinheit für die bereits früher an der Eawag etablierte Messmethode der Durchflusszytometrie. Dadurch liess sich zeigen, wie rasch bakterielle Belastungen ansteigen können und aber auch wieder auf ein normales Niveau zurückkehren, und wie die Belastungsspitzen beispielsweise mit meteorologischen Bedingungen zusammenhängen. Darüber hinaus wurde die Automatisierung der Technologie soweit entwickelt und erprobt, dass sie nun kommerziell verfügbar ist.

Wenn Sie von belastetem Rohwasser sprechen, ist das Trinkwasser dann noch geniessbar?

Davon kann ausgegangen werden. In den allermeisten Karstquellen im Kanton ist die Wasserqualität hoch und die bestehenden Aufbereitungsanlagen führen zu einer zusätzlichen Desinfektion. Ebenso wichtig sind gut unterhaltene Reservoire und Verteilnetze.

Was ist unter einer minimalen Aufbereitungsstufe zu verstehen?

Darunter ist ein einstufiges Verfahren zu verstehen. Das Rohwasser beispielsweise wird einem einzigen Reinigungsschritt unterzogen und durch eine UV-Behandlung oder Membranfiltration aufbereitet.

Wie ist die Trinkwasseraufbereitung in der übrigen Schweiz?

Je reiner das Rohwasser, desto weniger Aufbereitungsstufen braucht es, um das Trinkwasser geniessbar zu machen. Es braucht oft nur einen oder zwei Aufbereitungsschritte. In der Schweiz, nicht flächendeckend, ist das Rohwasser von einer sehr guten Qualität. Das Grundwasser wird in der Regel minimal aufbereitet.

Wo ist es anders?

In Zürich ist es beispielsweise anders. Dort wird Seewasser zu Trinkwasser aufbereitet, welches mehrere Aufbereitungsschritte benötigt, bis es Trinkwasserqualität hat. Die Aufbereitung umfasst zwei Ozonierungen und drei biologische Filtrationen. Hierbei sorgt die Ozonierung dafür, dass mögliche Krankheitserreger eliminiert werden; durch die biologische Filtration werden Nährstoffe aus dem Wasser entfernt, die andernfalls erneut mikrobielles Wachstum ermöglichen könnten. Als Resultat gibt es sicheres, biologisch stabiles Wasser, welches ohne jegliche Rückstände an Desinfektionsmitteln, wie zum Beispiel Chlor, über die Netzwerke verteilt werden kann.

Dann ist das Trinkwasser in der Schweiz bedenkenlos geniessbar?

Ja, auf jeden Fall. Erstens werden mehr als 80 Prozent des Trink- und Brauchwassers in der Schweiz aus Grundwasser gewonnen und dieses ist, wie bereits erwähnt, in der Regel von sehr hoher Qualität. Das Grundwasser ist somit die wichtigste Ressource für die Wasserversorgung in der Schweiz. Zweitens werden sowohl die Aufbereitungsanlagen als auch das Verteilnetz in der Regel regelmässig geprüft und gewartet. Das Hauptaugenmerk der Trinkwasseraufbereitung liegt im Prinzip auf der Produktion von qualitativ hochwertigem und biostabilem Wasser, in Kombination mit einem qualitativ hochwertigen und intakten Verteilnetz. In der Schweiz sind wir diesbezüglich privilegiert.

Wieso privilegiert?

In vielen anderen Ländern, den USA oder Südafrika beispielsweise, wo ich herkomme, muss man das aufbereitete Wasser mit Chlor desinfizieren, um die Qualität bis zum Wasserhahn aufrechtzuerhalten. Das muss man sich wie in einem Hallenbad vorstellen, mit dem einzigen Unterschied, dass im Hallenbad die Konzentration um ein Mehrfaches höher ist. Diesen zusätzlichen Schritt brauchen wir hier in der Schweiz nicht. Zudem überwacht das Bundesamt für Umwelt die Qualität des Grundwassers, wobei dessen Zustand regelmässig beobachtet, dokumentiert und bewertet wird. Grundwasserschutz, Grundwassermanagement und Grundwasserbeobachtung funktionieren in der Schweiz bestens.

Wie rein kann das Wasser überhaupt sein?

Steriles, sprich organismenfreies Wasser und sterile Verteilnetzwerke sind komplett unrealistisch. Das Trinkwasser muss auch überhaupt nicht steril sein. Wir leben in bester Symbiose mit vielen Arten von Bakterien. Ob auf der Haut oder im Mund, überall begleiten sie uns und übernehmen sogar wichtige Aufgaben. Das ist völlig normal. Mich würde es eher beunruhigen, wenn es keine Bakterien im Wasser hätte. Das Trinkwasser ist für mich ein spezielles Ökosystem, mit niedrigen Konzentrationen an harmlosen, natürlich vorkommenden Bakterien. Das Ziel ist es, die Menge an Mikroorganismen im Trinkwasser gering zu halten und zu gewährleisten, dass sich Krankheitserreger nicht ausbreiten können.

Wie hoch ist die Bakterienkonzentration im Trinkwasser?

Die Konzentration an Bakterien bewegt sich typischerweise zwischen 10 000 und 100 000 Einheiten pro Milliliter. Die Konzentration im Grundwasser liegt eher in der Nähe von 10 000, im aufbereiteten Oberflächenwasser eher bei 100 000. Dazu gibt es eine unglaubliche Vielfalt an Bakterien. Heutzutage finden wir typischerweise zirka 500–5000 unterschiedliche Bakterienarten im Trinkwasser. Diese Vielfalt ist der Grund, weshalb es so wichtig ist, Dynamiken und Interaktionen zwischen diesen Organismen in und mit unserer Umwelt zu verstehen.

Wie viele Bakterien davon sind vollkommen unschädlich?

Damit hier kein falscher Eindruck entsteht, betone ich es nochmals mit Nachdruck: Die allermeisten Bakterien sind weder krankheitserregend noch 
gesundheitsschädlich. In Zahlen ausgedrückt:
99,99 Prozent der Bakterienarten im Trinkwasser 
sind für den Menschen vollkommen unproblematisch.

Wann werden Trinkwasserbakterien 
problematisch für die Gesundheit?

Es gibt zwei verschiedene Problemzonen. Die eine umfasst die Aufbereitungsanlagen. Wenn diese veraltet sind oder nicht mehr zuverlässig arbeiten, dann besteht die Gefahr, dass Verunreinigungen aus der Umwelt, zum Beispiel aus Restbeständen der Landwirtschaft oder von menschlichen Abfällen, nicht eliminiert werden. Als Folge können zum Beispiel menschliche Krankheitserreger wie Salmonellen auftreten, die zu Magen- oder Darmproblemen führen können.  Wir kennen dies oft von Bildern aus Entwicklungsländern; in der Schweiz treten solche Probleme jedoch sehr selten auf.

Und die zweite Problemzone?

Die zweite Problemzone liegt in der Feinverteilung in Gebäuden, und zwar speziell im potenziellen Wachstum sogenannter opportunistischer Krankheitserreger. Darunter versteht man Bakterien, die insbesondere dann Erkrankungen in Menschen auslösen, wenn diese körperlich angeschlagen sind, wenn beispielsweise das Immunsystem geschwächt ist. Anders ausgedrückt: die Krankheitserreger nutzen die Gelegenheit, sich während der Immunschwäche im Körper des Erkrankten zu vermehren. Beispiele sind Legionellen, Pseudomonaden oder Mykobakterien.

Und solche pathogenen Erreger sind eher in Gebäuden festzustellen?

Wir wissen heute, dass das Wachstum von pathogenen Bakterien eher im Gebäude als im Roh- und Grundwasser oder während dessen Aufbereitung stattfindet. Es ist die Kombination mehrerer Faktoren, die in der Feinverteilung in Gebäuden ideale Lebensbedingungen für pathogene Erreger schaffen – zum Beispiel hohe Temperaturen, die Stagnation des Wassers, zu kleine Leitungsdurchmesser und die Verwendung von Kunststoffen. Der schwierige Teil bei einem Problemfall liegt darin, den Herd zu lokalisieren, weil man oft nur eingeschränkten Zugang zu Privatwohnungen erhält. Es ist somit sehr schwierig, in den Gebäuden einfach mal Proben zu nehmen.

Müssen wir uns Sorgen machen?

Grundsätzlich eher nicht. Aber es ist wichtig, mögliche Probleme zu verstehen und präventiv zu handeln. Befinden sich zum Beispiel Legionellen im Trinkwasser, kann dieses bedenkenlos getrunken werden. Manche Arten des Bakteriums können 
jedoch zum Problem werden, wenn man sie einatmet, was zum Beispiel beim Duschen der Fall ist. 
Als Forscher möchte ich natürlich verstehen, unter welchen Umständen sich problematische Bakterien in solchen spezifischen Ökosystemen vermehren. Oder anders gesagt: in welcher Umgebung sich 
pathogene Erreger am wohlsten fühlen. Dieses 
Wissen kann uns dabei helfen, Strategien zu entwickeln, um die gute Wasserqualität bis hin zum Konsumenten zu erhalten.

Wie messen Sie dann in der Praxis die 
Trinkwasserqualität?

Die Wasserqualität muss meiner Meinung nach bis zum Austritt aus dem Wasserhahn garantiert und kontrolliert werden. Wir wenden in unserer Forschung sowohl qualitative wie auch quantitative Messmethoden an. Die zentralen Fragen dabei sind: Warum, wo und was genau messen wir? Die Wahl der analytischen Methode hängt also von der Fragestellung ab. In der Regel sind es drei unterschiedliche Messmethoden, die wir kombiniert anwenden. Hierbei handelt es sich um die Durchflusszytometrie, Sequenzierung und den spezifischen Nachweis von Pathogenen. Mittels Durchflusszytometrie prüfen wir die Anzahl an lebenden und toten Bakterien im Roh- und Trinkwasser. Es ist eine sehr schnelle Methode, die wir hier an der Eawag vor rund 10 Jahren speziell für die Untersuchung von Trinkwasserproben angepasst haben.

Und was beinhalten die anderen zwei 
Methoden?

Die Sequenzierung ist ideal, um detaillierte Informationen über die Zusammensetzung und die Vielfalt der mikrobiologischen Gemeinschaften zu erhalten. Diese Informationen helfen uns dabei, gesamte 
Systeme und ihre Zusammenhänge besser zu verstehen. Die Sequenzierung wie auch andere DNA-
basierte Methoden ermöglichen des Weiteren die 
spezifische Detektion bestimmter Organismen, zum Beispiel pathogener Vertreter. Diese Informationen und das damit erlangte Verständnis wollen wir weitergeben, damit bei der Planung, beim Bau und beim Betrieb von Trinkwassersystemen das Risiko einer Verunreinigung mit Krankheitserregern klein gehalten werden kann.

Sie erwähnen es: Sie wollen Schnittstelle zwischen Forschung und Praxis sein. Wie läuft der Wissens- oder Erkenntnistransfer?

Bleiben wir beim eingangs erwähnten Projekt mit dem Kanton Basel-Landschaft. Damit die Erkenntnisse im Kanton gut verankert werden, wird der Wissenstransfer zu den kantonalen Fachstellen sowie den Gemeinden und Ingenieurbüros durch das Teilprojekt «Integration und Ausbildung» sichergestellt. Ein wichtiger Teil der Wissensverankerung bildet die Zusammenarbeit mit den Wasserversorgungsstellen in den Gebieten des Kantons.

Gibt es noch weitere Beispiele?

Mit der Hochschule Luzern – Technik & Architektur (HSLU) haben wir vor Kurzem die Erkenntnisse einer dreijährigen Studie präsentiert. Bei dem Projekt unter dem Titel «Materialien in Kontakt mit Trinkwasser» gingen wir der Frage nach, unter welchen Bedingungen sich Bakterien in der Feinverteilung von Gebäuden vermehren. Gemeinsam mit Partnern von der HSLU sind wir nun daran, eine Arbeitsgruppe «Trinkwasser-Mikrobiologie in Gebäuden» auf die Beine zu stellen, welche die Resultate dieser Studie und damit zusammenhängende Fragen an das interessierte Fachpublikum weiter tragen soll. Zudem halten die Kollegen der HSLU sowie ich selbst Referate und Vorträge zu diesem Thema. Dabei suchen wir den direkten Kontakt zu Sanitärtechnikern, Planern, Ingenieuren und Architekten.

Was sind die Perspektiven bezüglich 
Prävention oder biologisch stabilem 
Trinkwasser?

Ziel ist es, die Wasserversorgung von der Quelle bis zum Wasserhahn in einer hochwertigen und biologisch stabilen Qualität zu garantieren. Trinkwasser in dieser hervorragenden Qualität ist keine Selbstverständlichkeit. Und es ist auch keine Selbstverständlichkeit, dass wir hier in der Schweiz mit nur wenigen Aufbereitungsphasen gutes Trinkwasser zur Verfügung stellen können. Übrigens liegt die Trinkwasserqualität auch in der Verantwortung der 
Gebäudeeigentümer. Mit dem revidierten Lebensmittelrecht sind sie faktisch zum Wasserversorger geworden. Sie müssen dafür sorgen, dass sich die Trinkwasserqualität innerhalb ihres Gebäudes nicht verschlechtert oder sich gar Krankheitserreger einnisten und wachsen können. Vielen Gebäudeeigentümern ist das noch nicht wirklich bewusst.

Trinken Sie weiterhin bedenkenlos Wasser 
vom Hahn?

(Lacht) Wenn ich sogar das unbehandelte Flusswasser in Namibia zu mir nehme, dann trinke ich hier in der Schweiz völlig bedenkenlos Wasser vom Hahn.