JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Oulun merialueen vedenlaadun tarkkailussa havaittiin kesällä 2017 kohonneita lämpökestoisten koliformisten bakteerien määriä, minkä johdosta alueen vesiin vaikuttavat toimijat velvoitettiin selvittämään purkuvesiensä mikrobiaalista laatua. Lämpökestoisten koliformisten bakteerien kohonneet määrät mitattiin Stora Enson Oulun tehdasta lähimpänä sijainneista näytepisteistä. Tehdasvesien määrityksessä selvisi, että sellu- ja paperitehtaan purkuvesikanaaleista 1 ja 8 mitattiin ajoittain korkeita lämpökestoisten koliformisten bakteerien määriä, jotka jatkoselvityksessä osoittautuivat Klebsiella pneumoniae -bakteereiksi. Tässä työssä kootaan kirjallisuuden tarjoamaa tietoa Klebsiellasta, selvitetään bakteerin esiintymistä tehdasvesissä erilaisilla menetelmillä ja pohditaan bakteerin vaatimia toimenpiteitä.

Klebsiella pneumoniae -bakteeri on gram-negatiivinen, fakultatiivisesti anaerobinen, itiöitä muodostamaton Enterobacteriaceae-heimoon kuuluva opportunistinen patogeeninen bakteeri, jota esiintyy yleisesti ympäristössä, kuten vesissä, maaperässä ja kasveissa, vesiverkostoissa sekä metsäteollisuuden jätevesissä. Se tunnetaan hyvin myös yleisenä taudinaiheuttajana sairaalainfektioissa erityisesti sen antibioottiresistenssi-ominaisuutensa vuoksi. Bakteeria on tutkittu metsäteollisuuteen liittyvistä vesistä 1970-luvulla, mutta myöhemmät tutkimukset bakteeriin liittyen ovat painottuneet lähinnä kliinisissä näytteissä esiintyneen bakteerin tutkimiseen. Ympäristöperäisen K. pneumoniae -bakteerin terveysriskin määrittäminen on näin ollen jäänyt vajaaksi ja tutkijoiden mielipiteet bakteerin terveysriskistä ovat hyvin kahtia jakautuneet. Ympäristöperäisen bakteerin terveysriskiväitettä tukee sen vähäinen eroavaisuus kliinisten isolaattien kanssa sekä sairaalabakteerin aiheuttamat vakavat taudit. Vähäistä terveysriskiä tukee se, ettei ympäristöstä peräisin olevan bakteerin aiheuttamia infektioita ole diagnosoitu huolimatta bakteerin yleisyydestä ympäristössä. Yleisesti ottaen opportunistisen patogeenin terveysriski liittyy isäntäeliön immuniteetin toimintakykyyn, jolloin bakteeri voi toimia taudinaiheuttajana alentuneen immuniteetin omaavilla henkilöillä.

Bakteeria voidaan havaita lämpökestoisia koliformisia bakteereja mittaavalla testillä, jota käytetään ulosteperäisen saastumisen arviointiin, vaikka tutkittu vesi ei todistettavasti ole ollut tekemisissä ulosteperäisen saastelähteen kanssa. Tämän vuoksi veden hygieenisen laadun tarkkailuun suositellaankin käytettäväksi menetelmiä, jotka kohdistuvat nimenomaisesti ulosteperäisten bakteerien havainnointiin. Kesän ja syksyn 2018 aikana suoritettiin Oulun tehtaan kanaalivesistä 1 ja 8 mikrobitarkkailua SFS 4088:2001 standardin viljelymenetelmän mukaisesti, API 20E -identifiointitestiä apuna käyttäen sekä rinnakkaisesti DNA:han pohjautuvaa qPCR-analyysimenetelmää hyödyntäen. Viljelyyn pohjautuvien menetelmien tulosten mukaan tehdasvesissä esiintyi K. pneumoniae -bakteeria, mutta qPCR-tekniikan tulosten perusteella sen osuus tehdasvesinäytteiden mikrobikoostumuksesta oli hyvin pieni.

K. pneumoniae on yleinen bakteeri metsäteollisuuden vesissä, mutta sen todellisen terveysriskin määrittäminen vaatii lisää tutkimuksia. Mikrobien mittaamiseen ja määrittämiseen käytettävät menetelmät tulisi valita niin, että ne kuvaisivat mahdollisimman hyvin tutkimuksessa selvitettävää tilannetta, esimerkiksi terveydelle haitallisten bakteerien laatua ja määrää. Bakteerimäärille asetettavien rajoitusten tulisi perustua todennettuun haittaan ympäristölle tai terveydelle. Uusien mikrobimäärityksiin soveltuvien menetelmien käyttö kehittyy ja mahdollistaa entistäkin tarkempien ja ajantasaisten mittausten suorittamisen sekä välittömät toimenpiteet bakteerien parempaan hallintaan. Tämä vaatii kuitenkin tutkimusperäistä tietoa ja yhtenäisiä toimintamalleja, joita ei ympäristöperäisen K. pneumoniaen suhteen ole vielä olemassa.

Occurrence of Klebsiella bacteria in pulp and paper mill effluents

Abstract

During the summer of 2017 in Oulu, sea water quality control detected elevated numbers of thermotolerant coliform bacteria. The operators that were operating on the area were committed to investigate microbial quality of their effluents. The highest numbers of thermotolerant coliforms was detected from the sampling points locating closest to Stora Enso pulp and paper mill. Microbial quality control of the pulp and paper mill effluents revealed high numbers of thermotolerant coliforms occasionally in the effluent channels 1 and 8. The bacteria were identified as Klebsiella pneumoniae. In this Master’s Thesis, literature review of K. pneumoniae was done, the occurrence of the bacteria in pulp and paper mill effluents was investigated and the actions needed to be made due to the bacteria occurrence was considered.

K. pneumoniae, a member of Enterobacteriaceae family, is a gram-negative, facultatively anaerobic, non-motile and opportunistic pathogen. It is ubiquitous bacterium in the environments like water, soil and plants, water distribution systems and effluents of forest industry. It is also a well-known and common pathogen in hospital environments due to the antibiotic resistance characteristic. K. pneumoniae has been widely studied in the 1970s from the forest industry waters, but later researches have focused on the clinically significant strains. Therefore, the clinical relevance of the environmental K. pneumoniae isolates has been left unclear. The facts, that the differences between environmental and clinical isolates are low and the bacterium causes nosocomial infections speak up for high health risk of the environmental strain. However, despite that the microbe is very common in the nature, there are no infections diagnosed that are caused by environmental isolates. This speak up for the low health risk of the isolates. Generally, the health risk of the opportunistic pathogen depends on the immunity of the host organism, when the highest risk is associated with the impaired resistance of the host.

K. pneumoniae can be detected with the thermotolerant coliform test that is used to indicate fecal contamination of the water even though the investigated water has not been in contact with the fecal source. For this reason, the thermotolerant coliform test is recommended to be replaced with fecal source bacteria observation tests in the hygienic quality measurements of the water. During the summer and autumn of 2018, microbial detection from the effluent channels 1 and 8 was done utilizing the standard SFS 4088:2001 cultivation method, API 20E identification method and the qPCR method based on the DNA of the bacteria. The cultivation method yielded results of K. pneumoniae occurrence but qPCR indicated the bacterium as a minor part of wide microbial diversity.

Even though the bacterium is common in the forest industry effluents, the pathogenicity of environmental origin K. pneumoniae requires further studies. The methods for microbial detection should be selected in such way that the result will describe accurately the real situation, for example the amount of health risk causing bacteria. Limits for bacterial levels in effluents should be based on the verified risk to environment or health. New microbial detection methods are improving which will make the further identification, on-line measurement and control of the microbes possible. This, however, requires still more research and uniform operations models which do not yet exist for environmental-origin K. pneumoniae.