Monstername door Vitens | Foto: Vitens
Monstername door Vitens | Foto: Vitens
Grondwater is doorgaans stabieler dan oppervlaktewater en is daarom, waar beschikbaar, voor Vitens de voorkeursbron voor drinkwater. De beschikbaarheid van grondwater staat echter onder druk, terwijl de vraag naar drinkwater blijft groeien. Grondwatertekorten kunnen worden opgevangen door oppervlaktewater te infiltreren. Hierbij is het belangrijk om te begrijpen hoe infiltratie de microbiologische samenstelling van het water beïnvloedt. Op een productielocatie waar oppervlaktewater op natuurlijke wijze infiltreert, hebben Vitens en Deltares onderzocht hoe de microbiologische samenstelling van water verandert tijdens infiltratie en hoe deze varieert over tijd. In combinatie met fysisch-chemische data geeft dit inzicht in hoeverre fluctuaties in de kwaliteit van oppervlaktewater de microbiologische samenstelling van het grondwater beïnvloeden en welke natuurlijke processen de microbiologische verschillen tussen oppervlakte- en grondwater bepalen.
Next Generation Sequencing
De microbiologie van drinkwaterbronnen wordt traditioneel vooral onderzocht met klassieke kweekmethoden. Een voordeel daarvan is dat zelfs in zeer laag aantal voorkomende bacteriën zichtbaar worden. Een nadeel is echter dat naar schatting minder dan 1 procent van alle bacteriën in het laboratorium te kweken is [1].
In de afgelopen twintig jaar is de techniek van DNA-sequencing [2] zo ver ontwikkeld dat deze een bijna volledig beeld van de bacteriële gemeenschap kan genereren. Grofweg bestaan er twee methoden: amplicon sequencing en shotgun metagenomics. Bij amplicon sequencing wordt één specifiek gen met PCR vermenigvuldigd en vervolgens gesequenced. Bij shotgun sequencing wordt al het DNA in een monster in kleine fragmenten gesequenced, bioinformatisch gereconstrueerd en toegekend aan een bepaald micro-organisme. Amplicon sequencing is sneller en goedkoper, maar kan door de PCR-stap voor vertekening zorgen.
In dit onderzoek is gekozen voor amplicon sequencing van het 16S-rRNA-gen. Dit gen codeert voor een onderdeel van het ribosoom en komt dus voor bij alle bacteriën, waardoor het uitermate geschikt is om een breed en representatief beeld te krijgen van de bacteriële samenstelling.
Locatie en bemonstering
Van juni 2023 tot december 2023 zijn op productiebedrijf Olde Eibergen monsters genomen van oppervlaktewater, ondiep grondwater (peilbuis), diep grondwater (winput) en voorfiltraatwater, om de verschillen tussen de watertypen en veranderingen in de tijd in kaart te brengen. De bacteriële samenstelling is bepaald voor alle watertypen. Daarnaast zijn tijdens de bemonstering voor oppervlaktewater, ondiep en diep grondwater de pH, temperatuur en zuurstof gemeten. In het laboratorium zijn vervolgens de concentraties nitraat, ijzer, sulfaat, methaan, ammonium en fosfaat geanalyseerd om de redoxcondities te bepalen. Deltares heeft de sequencing uitgevoerd, waarna de data tussen de verschillende locaties en bemonsteringsmomenten zijn vergeleken. Vervolgens zijn de fysisch-chemische metingen aan deze data gekoppeld om veranderingen in microbiële populaties te kunnen verklaren.
Verschillende bacteriën in verschillende watertypen
De bacteriële samenstelling van de verschillende watertypen verschilt sterk van elkaar (afbeelding 1). Het oppervlaktewater was in de periode van augustus tot en met november relatief stabiel. De dominante families waren Sporichthyaceae (28-37 procent), Comamonadaceae (8-24 procent) en Microbacteriaceae (4-16 procent). Deze groepen zijn waarschijnlijk betrokken bij de afbraak van organisch materiaal.
Afbeelding 1. Relatieve aantallen bacteriefamilies, op volgorde van voorkomen van hoog naar laag. Alleen de families waarvan in minstens 1 procent van de monsters meer dan 5 procent voorkwam, zijn weergegeven. Niet alle groepen konden tot op familieniveau worden bepaald. Hogere niveaus zijn aangegeven met een letter; k_ = kingdom, p_= phylum, o_ = order, c_ = class
In het ondiepe grondwater (peilbuis) was meer variatie zichtbaar. Dit kwam vooral door schommelingen in de ijzeroxiderende Gallionellaceae, van 56 procent in augustus tot slechts 7 procent in oktober. Daarnaast waren in augustus en september Thermodesulfovibrionia (3-7 procent) het op één na meest aanwezig. Vanaf oktober namen de Comamonadaceae (4-24 procent) deze rol over.
Het diepe grondwater (winput) was relatief stabiel, al nam het aandeel Gallionellaceae vanaf september geleidelijk toe. Net als in de peilbuis kwamen ook hier Thermodesulfovibrionia veel voor (10-21 procent).
Drie monsters vertoonden een afwijkend profiel, gelijk aan de negatieve controle, en zijn daarom uitgesloten van de interpretatie.
De bacteriële gemeenschap in het water uit het voorfilter werd gedomineerd door Gallionellaceae (26-57 procent) en Nitrospiraceae (4-12 procent). Dit sluit aan bij de bevindingen dat in het snelle zandfilter biologische ontijzering en ammoniumverwijdering plaatsvinden. Gallionellaceae bevat ijzeroxiderende bacteriën, Nitrospiraceae nitrificerende bacteriën.
Invloed abiotische eigenschappen
De bacteriële gemeenschappen in de verschillende watertypen verschillen sterk. In sommige gevallen zijn deze verschillen direct te koppelen aan fysisch-chemische condities. Zo bestaat de groep Thermodesulfovibrionia uit bacteriën die zwavel reduceren in omstandigheden met lage zuurstof- en nitraatconcentraties en hoge ammoniumgehalten. Ze worden inderdaad in grote aantallen aangetroffen in de peilbuis en de winput, met weinig zuurstof en nitraat en meer ammonium (data niet getoond). Ook voor andere bacteriegroepen zijn relaties te leggen, maar lang niet voor allemaal.
Wel kan op populatieniveau, in plaats van op soortniveau, worden gekeken welke abiotische factoren samenhangen met veranderingen in de microbiële samenstelling. Dit is te zien in afbeelding 2, waar de vele variabelen die de populaties beschrijven zijn teruggebracht tot twee dimensies. Grotere afstanden tussen punten duiden op grotere verschillen in samenstelling. Abiotische factoren zijn weergegeven als pijlen, waarvan de richting laat zien met welke populaties ze correleren en de lengte de sterkte van de correlatie.
Uit deze analyse blijkt dat de bacteriële populaties in het oppervlaktewater correleren met pH, zuurstof, nitraat en temperatuur. Het hogere zuurstofgehalte in oppervlaktewater past bij de aanwezigheid van bacteriën die gedijen in zuurstofrijke omstandigheden. De correlatie met temperatuur is te verklaren doordat oppervlaktewater sterker beïnvloed wordt door seizoensgebonden temperatuurschommelingen dan grondwater. Bacteriën reageren hierop omdat zij een temperatuursoptimum kennen voor groei en activiteit. Een vergelijkbare verklaring geldt voor pH, want oppervlaktewater heeft een hogere en meer variabele pH dan grondwater.
Afbeelding 2. Correlatie tussen abiotische factoren en microbiële samenstelling
De bacteriële populaties in het water uit de winput correleren sterk met het ijzergehalte. Dit komt doordat in de zuurstofarme omgeving van het grondwater ijzer(III) reduceert tot ijzer(II) en oplost in het water. Het relatieve aantal ijzer-oxiderende bacteriën is echter kleiner in de winput dan in de peilbuis. De correlatie met ijzer(II) komt dus niet door de ijzer-oxiderende bacteriën, maar door het gebrek aan zuurstof, dat zowel invloed heeft op het oplossen van ijzer, als op de bacteriële samenstelling.
Verschillen in abiotische condities bepalen dus welke bacteriën kunnen leven in de verschillende watertypen, terwijl bacteriën op hun beurt ook weer invloed hebben op die condities. De onderliggende fysisch-chemische verschillen worden voornamelijk bepaald door de afbraak van organische stoffen en het gebruik van opeenvolgende elektronenacceptoren. Eerst wordt zuurstof verbruikt, te zien aan de gemeten afname van zuurstof van oppervlaktewater naar peilbuis en winput (data niet getoond). Daarna volgt nitraatconsumptie, wat leidt tot lagere nitraatconcentraties in het grondwater. Tegelijk neemt ammonium toe, passend bij het ontstaan van reducerende omstandigheden. Onder deze condities stijgen ook de concentraties ijzer, fosfaat en methaan.
De bacteriële samenstelling van het oppervlaktewater bepaalt dus niet direct die van het grondwater. In plaats daarvan wordt deze bepaald door welke bacteriën kunnen overleven onder de veranderende abiotische omstandigheden door verschuivingen in redoxcondities.
Next generation sequencing van pathogene bacteriën
De microbiologische veiligheid van water wordt niet bepaald door de algemene bacteriële samenstelling, maar door de aanwezigheid van specifieke pathogene micro-organismen. De sequencingdata bieden helaas geen direct inzicht in de afname van pathogene micro-organismen tijdens bodempassage. Potentiële pathogenen werden slechts in zeer lage aantallen aangetroffen. Voor een betrouwbare identificatie is een preciezere taxonomische resolutie nodig dan familieniveau, het liefst tot minstens soortniveau. Dit bleek niet mogelijk met de gebruikte methode.
In principe is dit met DNA-sequencing wel mogelijk, bijvoorbeeld via shotgun metagenoom sequencing, maar deze methode is aanzienlijk duurder en kan bovendien bacteriën die in zeer klein aantal voorkomen slecht detecteren. Een mogelijk alternatief is om veelvoorkomende, niet-pathogene oppervlaktewaterbacteriën te gebruiken als proxy voor de afname van pathogenen. De daadwerkelijke aanwezigheid van pathogene micro-organismen kan dan aanvullend worden vastgesteld met technieken die geschikt zijn om zeer kleine aantallen te detecteren.
Vervolgonderzoek is nodig om te bepalen of zulke veelvoorkomende bacteriën inderdaad een betrouwbare indicator vormen voor de afname van pathogenen, en of deze aanpak ook toepasbaar is voor andere groepen micro-organismen, zoals virussen en protozoa.
Conclusies en aanbevelingen
De verschillende watertypen op Olde Eibergen verschillen duidelijk in bacteriële samenstelling. Bij bodempassage blijkt de microbiële gemeenschap van het oppervlaktewater niet van invloed op die van het grondwater. Veranderingen in redoxcondities als gevolg van de afbraak van organisch materiaal blijken leidend en alleen de bacteriën die kunnen overleven in deze veranderende condities komen terecht en groeien in het grondwater.
Dit biedt waardevol inzicht in hoe bodempassage de bacteriële samenstelling van grondwater bepaalt. Die kennis wordt steeds belangrijker in een opwarmend klimaat, waarin vaker oppervlaktewater nodig zal zijn als aanvullende drinkwaterbron.
Daarnaast blijkt 16S-rRNA-gen amplicon sequencing niet geschikt om pathogenen betrouwbaar te detecteren tijdens het infiltratieproces. Wel zouden veelvoorkomende oppervlaktewaterbacteriën gebruikt kunnen worden als proxy voor de afname van pathogenen tijdens bodempassage. Onderzoek is nodig om te bepalen of deze benadering robuust en toepasbaar is, ook voor andere micro-organismen.
De titel van dit artikel wijkt iets af van die van de papieren versie (Water Matters 22, pag. 8-11, juni 2026). De rest van het artikel is ongewijzigd.
Onderzocht is hoe de microbiologie van infiltrerend oppervlaktewater verandert tijdens bodempassage en wat deze verandering stuurt. De bacteriële gemeenschappen bleken sterk te verschillen tussen de watertypen. Niet de microbiologie van het oppervlaktewater, maar variaties in redoxcondities als gevolg van de afbraak van organisch materiaal bleken leidend voor de microbiële samenstelling van het grondwater. Alleen bacteriën die kunnen overleven onder veranderende abiotische omstandigheden groeien door tot in het grondwater. 16S-rRNA-gen amplicon sequencing bleek ongeschikt om pathogenen te detecteren, maar veelvoorkomende oppervlaktewaterbacteriën kunnen mogelijk als proxy dienen.