BioMig—A Method to Evaluate the Potential ... - ACS Publications

Sep 3, 2015 - Advanced Search .... Citation data is made available by participants in Crossref's Cited-by Linking service. ... carbon, and pipe materi...
0 downloads 0 Views 437KB Size
Subscriber access provided by UNIV OF CALIFORNIA SAN DIEGO LIBRARIES

Article

“BioMig” - a method to evaluate the potential release of compounds from, and the formation of biofilms on polymeric materials in contact with drinking water Gang Wen, Stefan Koetzsch, Marius Vital, Thomas Egli, and Jun Ma Environ. Sci. Technol., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.est.5b02539 • Publication Date (Web): 03 Sep 2015 Downloaded from http://pubs.acs.org on September 6, 2015

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Environmental Science & Technology is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 43

Environmental Science & Technology



“BioMig”  ‐  a  method  to  evaluate  the  potential  release  of  compounds 



from,  and  the  formation  of  biofilms  on  polymeric  materials  in  contact 



with drinking water 



 



Gang Wen1,2,4, Stefan Koetzsch1,4, Marius Vital1,3, Thomas Egli1,3*, Jun Ma2 



 



1



Environmental  Microbiology,  P.O.  Box  611,  Überlandstrasse  133,  CH‐8600  Dübendorf, 

9  10 

Switzerland.  2

11  12 

  Eawag,  Swiss  Federal  Institute  for  Aquatic  Science  and  Technology,  Department  of 

  State  Key  Laboratory  of  Urban  Water  Resource  and  Environment,  Harbin  Institute  of  Technology, Harbin 150090, People’s Republic of China. 

3

13 

 Institute  for Biogeochemistry and  Pollutant Dynamics,  Swiss  Federal Institute for Technology  Zürich (ETH), CH‐8092 Zürich, Switzerland. 

14 

4

15 

 

16 

*

17 

 

18 

 

19 

 

20 

 

21 

Present addresses: 

22 

Gang Wen: School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture 

23  24 

Corresponding author: Tel.:+41449233691, E‐mail address: [email protected] 

and Technology, Xi’an 710055, People’s Republic of China  Marius  Vital:  Helmholz‐Zentrum  für  Infektionsbiologie  GmbH,  Imhoffenstrasse  7,  D‐38124 

25  26 

 The first two authors have contributed equally to this work. 

Braunschweig, Germany.   Thomas Egli: General‐Wille‐Strasse 194, CH‐8706 Feldmeilen, Switzerland, Phone: +41 44 923 36 

27 

91 

28 

 

29 

Running title: New test for biofilm formation and migration potential of plastics in water 

30  1   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

31 

Page 2 of 43

ABSTRACT 

32 

In contact with water, polymeric materials (“plastics”) release compounds that can support 

33 

suspended microbial growth and/or biofilm formation. The different methods presently used in 

34 

the EU to test plastics take 7‐16 weeks to obtain a result. In industry, this delays material and 

35 

product  development  as  well  as  quality  testing. Therefore,  we  developed  a  method  package 

36 

(“BioMig”)  that  allows  testing  with  high  reproducibility  plastic  materials  in  2  weeks  for  their 

37 

potential biofilm (or biomass) formation and release of carbonaceous migration products when 

38 

in contact with water. 

39 

“BioMig” consists of (i) an extended migration potential test (7‐times for 24 h at 60 °C) based 

40 

on the European norm EN 12873‐1 and the German UBA (Umweltbundesamt) guideline, and (ii) 

41 

a biomass formation potential (BFP) test (14 days at 30 °C), which is a modified version of the 

42 

Dutch  biofilm  production  potential  test.  In  the  migration  potential  test  the  amount  of  carbon 

43 

released  into  water  by  the  specimen  is  quantified  by  monitoring  total  and  assimilable  organic 

44 

carbon over time; furthermore the modular design of the test allows to assess also additional 

45 

parameters  such  as  pathogen  growth  potential  on  the  migration  water,  or  toxic  effects  on 

46 

microbial  growth.  Flow  cytometry  (FCM)‐based  total  cell  counting  (TCC)  is  used  to  quantify 

47 

microbial  growth  in  suspension  and  on  surfaces  after  removal  with  mild  sonication  without 

48 

affecting  cell  integrity.  The  BFP  test  allows  to  determine  both,  the  planktonic  (pBFP)  and  the 

49 

sessile  (sBFP)  cell  fractions.  The  sBFP  consists  of  surface‐attached  cells  after  removal  (>  90% 

50 

efficiency).  Results  for  four  standard  test  materials  (PE‐Xa,  PE‐Xc,  EPDM  2%,  and  EPDM  20%), 

51 

plus positive (PVC‐P) and negative (glass) controls are presented. 

52 

FCM‐based TCC demonstrates that the release of growth‐supporting carbon and proliferation 

53 

of surface‐attached cells stops increasing and stabilizes already after 14 days of incubation; this 

2   

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 43

Environmental Science & Technology

54 

allows faster assessment of growth‐supporting properties of “plastics” with “BioMig” compared 

55 

to established tests. 

56 

3   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

57 

Page 4 of 43

TOC art 

Migration test

Migration test

Total organic carbon

Assimilable organic carbon

Short duration 14 days

Identical test water

BioMig Easy to handle

Test battery for assessing the maximum potential of polymeric materials to support microbial growth

Identical microbial inoculum

High reproducibility

Modular

Biomass formation potential test

Biomass formation potential test

Biomass formation potential test

Planktonic cell number

Remaining dissolved organic carbon

Sessile cell number

 

58  59 

4   

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 43

60 

Environmental Science & Technology

INTRODUCTION 

61 

 

62 

Drinking water and “plastic materials”. Drinking water suppliers take great effort to produce 

63 

a product of high chemical and biological quality before it is delivered to the consumer. When 

64 

water is delivered to consumers through distribution networks made of ‘plastic’ materials, water 

65 

quality  may  be  affected  adversely  by  the  release  of  carbonaceous  compounds.  The  use  of 

66 

‘plastic’  materials  in  distribution  networks  has  been  increasing  significantly  over  the  last  two 

67 

decades, mainly  because of their resistance  to  corrosion and low cost.1 Most  of these organic 

68 

polymers  contain  not  only  various  (in)organic  additives  such  as  softeners,  fillers,  lubricants, 

69 

antioxidants, stabilizers, or colouring agents, but often also traces of starting materials as well as 

70 

reaction  products  from  the  polymerization  process.  It  is  well  known  that  many  of  these 

71 

(in)organic compounds can migrate into the water phase2‐4 where they can severely affect water 

72 

quality; this can include taste and odour,2,3 toxic effects,4,5 or unwanted stimulation of microbial 

73 

growth6‐11  (similar  problems  can  be  caused  by  metal  pipes7,12).  Of  particular  concern  are  in‐

74 

house  plumbing  systems  9‐11  where  low  pipe  diameters  lead  to  enhanced  ratios  of  material 

75 

surface area to water volume, and, inevitably, to higher concentrations of released compounds 

76 

in the water. 

77 

Consequently,  commercial  products  in  contact  with  drinking  water  must  comply  with  a 

78 

number  of  criteria  before  they  can  be  used  in  drinking  water  installations  (in  the  EU  the 

79 

European Food Contact Regulations;13,14 in the US the NSF/ANSI Standard15). However, current 

80 

strategies  for  testing  such  effects  differ.  In  the  US  one  concentrates  on  migrating  key 

81 

compounds  with  the  intention  to  evaluate  their  health  effects  on  a  toxicological  basis.15  In 

82 

contrast,  EU  norms/standards  focus  on  the  determination  of  total  organic  carbon  (TOC) 

83 

released,16  effects on taste and odour,17 and on properties promoting microbial growth.13,17  The 

5   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

Page 6 of 43

84 

latter aspect is especially important when distributing non‐chlorinated water  as  done in some 

85 

European countries,18,19 although bacterial regrowth and formation of biofilms are also observed 

86 

in  distribution  systems  supplied  with  water  containing  enhanced  levels  of  disinfectant 

87 

residuals.20,21 

88 

 

89 

Testing migration and its microbiological effects. There is increased awareness that human 

90 

beings are continuously exposed to chemicals migrating from package materials, containers, or 

91 

pipes  into  food  and  water,  and  that  little  is  known  about  extent  and  nature  of  these 

92 

compounds.4,22,23  Here,  we  concentrate  on  one  specific  aspect,  namely  the  fact  that  most 

93 

polymeric  materials  release  organic  compounds  that  may  support  microbial  growth,  either  as 

94 

planktonic cells in the bulk water phase, and/or as biofilms on surfaces. 

95 

Whereas the chemical and organoleptic part of testing compounds migrating from materials 

96 

into  water  is  harmonized  in  the  EU,16,17  no  EU  standard  method  is  yet  available  for  testing 

97 

synthetic polymers in contact with drinking water for their potential to support microbial growth 

98 

and biofilm formation (Table 1). Several countries have developed their own methods and the 

99 

three  most  prominent  ones  are  listed  in  Table  1  (note  that  many  countries  do  not  have  their 

100 

own  standards  but  rely  on  those  established  in  the  US  or  the  EU).  All  methods  have  their 

101 

weaknesses,  such  as  lacking  sensitivity,  a  long  time  required  until  a  result  is  obtained,  or  a 

102 

tedious procedure. 

103 

It also becomes obvious from Table 1 that an inherent incompatibility exists in the different 

104 

parameters and conditions applied in the tests. This includes determination of microbial growth 

105 

(measured  as  oxygen  consumption,  ATP,  slime  volume,  or  colony  forming  units),  exposure 

106 

conditions (flow through systems versus batch assays with water exchange, duration between 7 

107 

and  16  weeks),  and  the  test  water  used  (local  tap  water).  As  a  result,  data  obtained  with  the 

6   

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 43

Environmental Science & Technology

108 

different methods are not only very difficult to compare, but this methodological incompatibility 

109 

is also in the way of reaching an EU‐wide harmonized test procedure. 

110 

 

111 

Developing “BioMig” as a faster, better testing procedure. All this calls for testing methods 

112 

that  give  more  information,  are  faster,  well  reproducible,  but  at  the  same  time  convenient to 

113 

perform  in  any  appropriately  equipped  laboratory.  Based  on  the  European  norm  for  testing 

114 

migration,16  we  have  proposed  recently  a  new  migration  potential  test  (MP)  that  allows 

115 

assessment of  an  additional  biological  parameter of polymeric materials when in contact with 

116 

drinking water.24 It includes the determination of so‐called “assimilable organic carbon” (AOC) in 

117 

migration  test  waters.  This  parameter  was  included  because  AOC  has  been  demonstrated 

118 

repeatedly to govern the extent of microbial regrowth and biofilm formation.20,21,25 

119 

Here  we  combine  this  MP  assay  with  a  biomass  formation  potential  (BFP)  test,  which  we 

120 

developed based on the biomass production potential (BPP) test from the Netherlands (Table 1). 

121 

The new BFP test allows now a quicker assessment of the potential of a material to support i) 

122 

planktonic microbial growth, and ii) the formation of biofilms on material surfaces. The package, 

123 

called  “BioMig”,  is  both  easier  to  perform  and  faster  (Table  1);  furthermore,  it  yields  more 

124 

information on properties of compounds released from a material than the tests presently used. 

125 

In  addition,  “BioMig”  can  be  easily  complemented  with  additional  analyses,  including  for 

126 

example toxic aspects or the determination of a pathogen growth potential (Figure 1). Here, we 

127 

describe  the  basic  principles  of,  and  document  typical  results  obtained  with  “BioMig”  for  a 

128 

selection of reference materials. Furthermore, a number of factors that influence experimental 

129 

results  obtained  with  “BioMig”  when  testing  a  material  for  migration  and  biomass  formation 

130 

potential are presented as supporting information. 

131 

 

7   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

132 

Page 8 of 43

EXPERIMENTAL SECTION 

133 

 

134 

Materials  tested.  The  following  polymeric  materials  were  tested:  Polyethylene  peroxide 

135 

cross‐linked (PE‐Xa), polyethylene silane cross‐linked (PE‐Xb), polyethylene electron beam cross‐

136 

linked  (PE‐Xc),  polybutylene  (PB)  and  ethylene  propylene  dienemethylene  with  2%,  12%  and 

137 

20% plasticizer (EPDM 2%, EPDM 12% and EPDM 20%); polyvinyl chloride‐(P) containing 30% of 

138 

plasticizer  (PVC‐P)  was  the  positive  control,  and  glass  was  employed  as  the  negative  control 

139 

material.  All  test  materials  were  produced  by  different  manufactures.  In  case  of  EPDM’s  the 

140 

amount of plasticizer is not related to the Shore hardness of the materials. Note that PE‐Xa, PE‐

141 

Xb,  PE‐Xc,  PB,  EPDM  2%  and  EPDM  12%  are  approved  for  drinking  water.  EPDM  20%  is  only 

142 

approved  for  wastewater  applications  and  PVC‐P  is  not  approved  at  all.  More  information  on 

143 

materials used for experimental setup is supplied in supporting information S1. 

144 

 

145 

Material holders for testing sessile biomass formation potential (sBFP). To reliably quantify 

146 

cells  growing  on  the  surface  of  polymeric  materials  when  exposed  to  water,  specific  holders 

147 

were designed and manufactured from inert Teflon (PTFE). The holders allow firm clamping of a 

148 

1x1 cm piece of a material and exposure of a defined surface area to the water phase, on which 

149 

cells can attach and develop into a biofilm. The design allows to easily remove the cells from the 

150 

defined  surface  using  ultrasound.  The  holders  are  described  in  detail  in  “supporting 

151 

information”  with  respect  to  geometry  (S2)  and  handling  for  detaching  cells  from  the  surface 

152 

(S3). 

153 

8   

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 43

Environmental Science & Technology

154 

Different waters used. For rinsing and other purposes ultrapure water produced with a TKA 

155 

water purification system (TKA GenPure, Thermo Scientific, Niederelbert, Germany) was used; it 

156 

contained  6 °C) 

25 ± 1 °C 

30 ± 1 °C 

Test samples 

Small plates 

Plates, pipes 

Small plates 

Pipes, plates 

S/V (cm ) 

0.15 

Flow‐through  system 

0.16 



Test water 

Dechlorinated  drinking water 

Dechlorinated  drinking water 

Water after slow  sand filtration 

Bottled  mineral water  (Evian) 

Inoculum 

River water 

Dechorinated  drinking water 

River water 

Bottled  mineral water  (Evian) 

Water replacement 

2x per week 

Continuous flow,  20 L/h 

1x per week 

No replacement 

Duration (weeks) 



12 

16 



Parameters for  determination of  microbial growth 

Oxygen  consumption  (MDOD) 

Volume of surface  growth (slime  volume) 

ATP 

TCC  ATP(*) 

Microbial growth  on the surface 

Not directly  measured 

Slime volume 

Cell detachment  ATP 

Cell  detachment  TCC, ATP(*) 

Microbial growth in  the water phase 

Oxygen  consumption  (MDOD) 

Not considered 

ATP 

TCC, ATP(*) 

‐1

796  797  798  799  800  801  802 

S/V: surface to volume ratio (ratio of material surface to water volume)  TCC: total cell count  ATP*: adenosine tri‐phosphate (but see comments in “supporting information, S14”)  CFU: colony‐forming unit  MDOD: mean dissolved oxygen difference  BPP: biomass production potential  BFP: biomass formation potential 

803  804 

 

  37   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

Page 38 of 43

805 

Table 2. Pathogen growth potential (PGP) of organic carbon compounds migrating from plastic 

806 

materials  commonly  used  for  in‐house  drinking  water  distribution  systems,  and  estimated 

807 

fraction  of  AOC  that  supports  growth  of  E.  coli  O157,  V.  cholera  or  P.  aeruginosa.  The 

808 

percentage of AOC  consumed  was calculated using the calibration factor from Vital,29,30 which 

809 

relates cell number produced to AOC consumed. For all tests migration water M1 was used (see 

810 

S13).   

Parameters 

PE‐Xb 

PB 

EPDM 2% 

 

TOC (mg/L) 

0.17

0.62

0.83 

Natural flora 

AOC (µg/L) 

121±12

237±145

295±100 

PGP (10 cells/mL)

1.55±0.10

8.50±0.40

6.50±0.20 

AOC consumed (%)

36±1.4

88±12

40.5±1.8 

PGP (10 cells/mL)

1.35±0.10

6.30±0.88

1.80±0.01 

AOC consumed (%)

26.5±1.7

42.1±3.5

16.8±0.6 

PGP (10 cells/mL)

0.48±1.00

1.01±2.10

0.730±0.09

AOC consumed (%)

17.8±0.4

18.8±0.6

16.9±0.3 



P.aeruginosa 



V. cholerae 

5

E. coli O157 

811 

 

812  813  814 

38   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

Alternative situation (B)

Current situation (A)

Page 39 of 43

Migration test EN12873-1 and UBA guideline

TOC

Taste and Odour

Biofilm growth potential tests (prEN 16421:2012)

&

Identification of migrated substances

Migration test EN12873-1 or UBA guideline

&

Planktonic

Sessile

W270

No

Yes

BPP

Yes

Yes

MDOD

Yes

No

Modified migration and modified biofilm formation potential test Migration test

TOC

Taste and Odour

Identification of migrated substances

BFP test Optional

Toxicological Studies

Growth of pathogen

Taste & odour in combination with microbiology

Clarification of problem cases

Identification of nonbiodegradable substances

TOC

AOC

Planktonic Sessile Remaining DOC

Formation of disinfection by-products

815  816 

Figure  1.  Conceptual  sketch  of  the  current  (A)  and  an  alternative  (B)  strategies  for  testing 

817 

polymeric materials in contact with water for migration and biofilm formation properties. Both 

818 

strategies  are  based  on  short‐term  migration  tests  and  on  long‐term  biofilm  formation  tests. 

819 

The proposed alternative (B) is based on a modular design of the testing procedure consisting of 

820 

a combination of the existing EN‐migration test with some newly developed methods described 

821 

in  this  work.  Blue  and  green  boxes  indicate  mandatory  parameters;  in  yellow  boxes  some 

822 

optional  parameters  that  can  be  added.  AOC,  assimilable  organic  carbon;  BFP,  biomass 

823 

formation  potential;  DOC,  dissolved  organic  carbon;  TOC,  total  organic  carbon.  Details  on  the 

824 

German biofilm formation test W270, the Dutch biofilm production potential (BPP) test, and the 

39   

ACS Paragon Plus Environment

Environmental Science & Technology

Page 40 of 43

825 

UK  oxygen  consumption  test  (MDOD),  the  UBA  guideline  and  the  European  norm  (prEN 

826 

16421:2012) 36 is given in Table 1. 

827 

 

1.0

0.4

Negative control

0.3

EPDM 2%

0.8 0.6

0.2

0.4 0.2

TOC-AOC (mg L )

-1

0.0 0.4

-1

TOC-AOC (mg L )

0.1

PE-Xa

0.3 0.2 0.1 0.0 0.4

PE-Xc

0.0 50

EPDM 20%

40 30 20 10 0 50

Positive control

40

0.3

30 0.2 20 0.1

10

0.0

0

M1

828 

M2

M3

M4

M5

M6

M1

M7

M2

M3

M4

M5

M6

M7

 

829 

 

830 

Figure  2.  Total  organic  carbon  (TOC,  hatched  columns)  concentrations  in  the  seven  migration 

831 

waters (M1 to M7) and assimilable organic carbon concentrations (AOC, empty columns, in M1, 

832 

M3,  M5,  and  M7)  leached  from  different  plastics,  the  negative  (glass)  and  the  positive  control 

833 

material (PVC‐P) obtained in a migration assay. Migration cycles were performed at 60 °C during 

834 

24h  as  described  in  “Experimental  Section”  and  depicted  in  Table  S13.  The  values  for  the 

835 

negative  control  were  subtracted  from  the  results  obtained  for  the  four  test  materials.  When 

836 

testing EPDM 20% no detectable AOC was found in M1, M3, M5 and M7. 

837  838 

   

40   

ACS Paragon Plus Environment

Page 41 of 43

Environmental Science & Technology

1.5x10

8

1.0x10

8

5.0x10

7

-2

Biomass formation potential (cells cm )

A

0.0 8 4x10 3x10

8

2x10

8

1x10

8

B

0 4x10

8

3x10

8

2x10

8

1x10

8

0

C

0

10

20

30

Time (day)

839  840 

 

841 

Figure 3.Development as a function of time of surface‐attached and suspended microbial cells in 

842 

a ”BioMig” test performed with EPDM 2%. Growth is given as the biomass formation potential 

843 

(BFP) in cells per cm2 of surface area of the tested material. A) planktonic cells (pBFP); B) sessile 

844 

cells (sBFP); C) BFP, which is the sum of pBFP and sBFP (see S12). 

845  846  847 

41   

ACS Paragon Plus Environment

-2

BFP (cells cm )

Environmental Science & Technology

1.0x10

9

8.0x10

8

6.0x10

8

4.0x10

8

2.0x10

8

Page 42 of 43

8.3710

pBFP sBFP BFP

A A

2.7210

8

7

4.7110

6

6.1210 3.77107

5.9210

6

30

Remaining DOC -1 (mg L )

25

8

27.24

B B

24.31

20

6.35

5 0.49

0.50

0.54

PE-Xa

PE-Xc

0 Negative control

848 

EPDM 2%

EPDM 20%

Positive control

849  850 

Figure  4.  Biomass  formation  potential  (BFP)  determined  with  the  “BioMig”  assay  for  four 

851 

polymeric materials, negative (glass) and positive (PVC‐P) control (A), and remaining DOC in the 

852 

bulk  water  phase  (B)  after  incubation  for  2  weeks.  pBFP,  planktonic  biomass  formation 

853 

potential; sBFP, sessile biomass formation potential; BFP, biomass formation potential. 

854  855  856 

42   

ACS Paragon Plus Environment

Page 43 of 43

Environmental Science & Technology

857    1.0 0.9

  TOC

-1

AOC or TOC (mg C L )

0.8 0.7

A

0.6 0.5 0.4

AOC

0.3 0.2 0.1 0.0 1

2

3

4

5

6

7

Experiment repeats 8

-2

Biomass formation potential (cells cm )

4.0x10

pBFP sBFP BFP

8

3.5x10

B

8

3.0x10

8

2.5x10

8

2.0x10

8

1.5x10

8

1.0x10

7

5.0x10

0.0

1

2

3

4

5

Experiment repeats

858  859 

Figure  5.  Repeatability  of  “BioMig”  assays  exemplified  for  EPDM  2%  as  the  test  material.  A) 

860 

Repeatability for  the parameters  TOC  and AOC in the migration potential  test using  migration 

861 

water M1;B) repeatability of the biomass formation potential (BFP) test for both, sessile (sBFP) 

862 

and planktonic (pBFP) cell fraction. 

43   

ACS Paragon Plus Environment