Wetenschappers verzamelen ‘microbiële vingerafdrukken’ uit huishoudelijke leidingen

Gemeenschapsassemblage in het microbiële ecosysteem van drinkwater.

De leidingsystemen in huishoudens kunnen vol zitten met over het algemeen onschadelijke microben, maar wetenschappers hebben nog niet de kans gehad om de bacteriële gemeenschappen binnen de huizen van mensen volledig in kaart te brengen.

De Safe Drinking Water Act vereist monitoring door openbare waterbedrijven, maar die monsters worden buiten de eigendomsgrenzen van individuele huishoudens genomen. Eenmaal binnen een huis kunnen microbiële gemeenschappen veranderen en evolueren op manieren die doorgaans niet worden gemonitord of zelfs niet worden begrepen.

Fangqiong Ling, assistent-professor in energie-, milieu- en chemische techniek aan de McKelvey School of Engineering van de Washington University in St. Louis, werkt samen met haar collega’s en studenten aan de verandering hiervan. Voor een artikel dat op 10 december in Nature Water is gepubliceerd, deelden Ling en haar collega’s de resultaten van monsters die zijn genomen van de badkamerkranen van acht huishoudens in de metro van St. Louis. Ze verzamelden monsters gedurende zeven dagen om de stroom en verandering van verschillende bacteriënpopulaties te observeren. Ze ontdekten dat hoewel huizen over het algemeen dezelfde hoofdcategorieën bacteriën deelden, er grote variatie was van huis tot huis. “De huizen hebben hun eigen unieke handtekening in vergelijking met de rest,” zei Ling.

Al het openbare kraanwater ondergaat strenge behandeling en desinfectie, waardoor het aantal gedetecteerde microbiele cellen zeer klein was, wat opnieuw een uitdaging vormt voor monitoring. Maar de overlevenden die ze vonden, zijn taai. De onderzoekers verwachtten antibioticaresistentiegenen te zien in de microbiomen van kraanwater, en ze vonden inderdaad dat patroon.

Het gebruik van dezelfde gangbare desinfectiemiddelen betekent dat een herkenbare groep microben mogelijk resistentie tegen dat desinfectiemiddel kan ontwikkelen. De onderzoekers vonden een patroon van dat “resistoom” in verschillende huishoudens. Maar wat verklaart de enorme variatie in soorten?

Computermodellering suggereert dat microben in eerste instantie hun gemeenschappen vestigen via zowel deterministische als stochastische processen, wat betekent dat willekeurige gebeurtenissen een rol spelen, wat kan verklaren waarom er enorme variatie is op het soortniveau, van huis tot huis. Voor huishoudelijk water kunnen deze processen de willekeurige timing van de aankomst van microben in het huis, hun groeidynamiek en een verscheidenheid aan factoren die nog niet begrepen zijn, omvatten.

Het onderzoek heeft als doel om uitbraken van opportunistische pathogenen en bacteriën die ziekten verspreiden te monitoren, anticiperen en te voorkomen. Dit soort monitoring is in ontwikkeling voor grote gebouwen en instellingen zoals ziekenhuizen, maar is schaars voor individuele huishoudens. “Huizen zijn nog steeds de plaats waar de meeste van onze interacties met water plaatsvinden, dus we willen huishoudens bestuderen,” zei Ling.

Hoewel onderzoekers ziekteverwekkende pathogenen of bacteriën (in kleine hoeveelheden) in huizen hebben gevonden, betekent dit niet noodzakelijk dat huishoudelijk water onveilig is – maar volksgezondheidsregulators zouden een dichter toezicht moeten houden, aldus Ling. Lin Zhang, de promovendus van Ling en hoofdauteur van het artikel in Nature Water, heeft een manier opgezet om monsters te verzamelen door middel van het recruteren van middelbare scholieren als “gemeenschapwetenschappers.” Deze studenten verzamelden monsters van ongeveer 100 huishoudens in de metro van St. Louis, gegevens die Zhang analyseert voor haar laatste promotieproject.

Hoewel bacteriën geassocieerd met leidingen over het algemeen onschadelijk zijn, kunnen de resistentiegenen die ze dragen, worden overgedragen aan pathogenen wanneer individuen antibioticabehandelingen ondergaan. Omdat mensen frequent contact hebben met deze bacteriën tijdens activiteiten zoals douchen en watergebruik, is er een sterke motivatie om het microbiële ecosysteem en “resistoom” in leidingsystemen beter te begrijpen, evenals hoe ze interageren met mensen.

In de tussentijd is Zhang blij dat ze onderzoek kan doen dat lokale voordelen kan opleveren en kan samenwerken met studenten. “Ik vind het fijn dat we middelbare scholieren een blik konden geven op echt onderzoek en de wetenschappelijke methode,” zei ze. “Hopelijk motiveert dit hen om een toekomst in milieutechniek na te streven.”

Pijpen repareren

Deze herfst heeft het Environmental Protection Agency een regel ingesteld die vereist dat alle gemeenten die water leveren, binnen het komende decennium leidingen van lood vervangen. Met de verandering in infrastructuur kunnen er ook mogelijkheden zijn om de monitoring verder te verbeteren dan alleen metalen en om mitigatiemaatregelen voor microplastics en het microbiële ecosysteem in te voeren.

Het is allemaal “onder de kraan” voor Dan Giammar, de Walter E. Browne Professor in Environmental Engineering, die leiding geeft aan verschillende projecten om de bronnen van drinkwater de komende jaren te monitoren en te verbeteren. “Aspecten van de kwaliteit van drinkwater die kunnen veranderen tussen de waterzuiveringsinstallatie en de kraan van de klant, zijn frustrerend moeilijk te monitoren,” aldus Giammar. “Dit innovatieve werk biedt nieuwe inzichten in hoe microben groeien en welke microben aanwezig zijn in de leidingen van woningen.”

Terwijl Ling en Zhang zich verdiepen in beter testen van huishoudelijke leidingen, zullen er waarschijnlijk meer vragen rijzen, omdat als het om microbiële levensvormen gaat, niets is zoals het lijkt. “Hoe meer huizen we monsteren, hoe meer diversiteit we zien,” zei Ling.