H2O Vakartikelen

1. Klimaatadaptatie
In de klimaatscenario’s wordt geschetst dat de kans op waterschaarste verzilting steeds verder zal toenemen. Dit dwingt Nederland om over te gaan tot actie om de drinkwatervoorziening in de delta veilig te stellen. Ontziltingsinstallaties zouden hierbij een rol kunnen spelen. Ontzilting van brak grondwater heeft als belangrijke voordelen dat het de zoetwatervoorraad vergroot en niet leidt tot verdroging. Het bouwen van ontziltingsinstallaties komt echter als oplossing niet voor in het advies van de Commissie Veerman.

Deze commissie beveelt aan om het water voor West-Nederland aan te voeren vanuit het IJsselmeer en in het westen op te slaan in diepe polders. De haalbaarheid van deze oplossing hangt echter nauw samen met de haalbaarheid van de controversiële peilstijging van het IJsselmeer met anderhalve meter.

Het Deltaprogramma Deelprogramma Zoet Water bereidt de in 2014 te nemen Deltabeslissing over een duurzame zoetwatervoorziening voor. Dit deelprogramma heeft als uitgangspunten gekozen voor grotere regionale zelfvoorzienendheid en optimalisatie van de verdeling van zoet water. Voor de korte termijn betreft het maatregelen gericht op vasthouden van zoet water, gebruik maken van extra zoet wateraanvoerroutes en beperken van watergebruik. Voor de lange termijn wordt gezocht naar een fundamentele oplossing om het aanbod van zoet water te vergroten en de vraag te beperken. Ontziltingsinstallaties bouwen wordt niet expliciet genoemd als mogelijke oplossing, maar past wel bij de uitgangspunten omdat het het aanbod van zoet water vergroot en bijdraagt aan regionale zelfvoorzienendheid.

In de Europese Waterschaarste- en droogtestrategie, het belangrijkste Europese beleidskader voor zoetwatervoorziening in tijden van klimaatverandering, komt ontzilting wel voor. Deze strategie is niet uitgewerkt in een richtlijn met bindende regels. Maar de Commissie kan de lidstaten wel aansporen dit beleidsdocument toe te passen  bij de implementatie van de Kaderrichtlijn Water. De Waterschaarste- en droogtestrategie voorziet in zes beleidsopties om waterschaarste en droogte-problemen het hoofd te bieden:

- watergebruik adequaat beprijzen;
- efficiëntere allocatie van water en watergerelateerde subsidies;
- droogterisicomanagement verbeteren;
- aanvullende waterinfrastructuur overwegen;
- een waterbesparingscultuur bevorderen;
- kennis vergroten en data verzamelen.

Gelet op het enorme potentieel voor waterbesparing in Europa, beveelt de strategie aan om een waterhiërarchie te hanteren. Dat betekent eerst maatregelen treffen die de watervraag beperken en dan pas aanvullende waterinfrastructuur (zoals een ontziltingsinstallatie) overwegen. Ontzilting kan dan een manier zijn om de doelstellingen van de Kaderrichtlijn Water te bereiken: te zorgen voor voldoende oppervlaktewater voor de ecologische functies en om onttrekking en aanvulling van grondwater met elkaar in balans te brengen (zie art. 4 KRW). Overigens lijkt de waterhiërarchie aanpak niet te worden voortgezet.

De Europese Commissie focust in het in 2012 uitgebrachte beleidsdocument ’The Blueprint to safeguard Europe’s water resources’   voor de zoetwatervoorziening op water efficiency. Dit beleidsdocument werkt een aantal maatregelen uit waaraan de EU een steentje kan bijdragen. Dit zijn onder andere het handhaven op naleving van de beprijzingsbepaling uit de KRW, waterbesparende producteisen invoeren en versterken van irrigatie-efficiëntie via het gemeenschappelijk landbouwbeleid.

Deze opties worden niet gepresenteerd als onderdeel van een waterhiërarchie. En de Blueprint zegt niets over ontziltingsinstallaties als manier om het aanbod van zoet water te vergroten. Volgens de Europese waterschaarste en droogtestrategie hangt waterschaarste vaak samen met ineffectieve beprijzing van watergebruik, waarbij de kosten over het algemeen niet de lokale beschikbaarheid van water weerspiegelen. Deze redenering gaat niet direct op ten aanzien van het Nederlandse drinkwatergebruik. Het regionale drinkwaterbedrijf beprijst drinkwater immers op basis van doorberekening van de gemaakte kosten. Doordat de kosten, en daarmee de prijzen, laag zijn  vormen deze geen prikkel tot waterbesparing. Ook ontzilting van brak water zal niet zo duur uitpakken. Experimenteren met ontziltingsinstallaties lijken dus een redelijke optie om verzilting het hoofd te bieden en de drinkwatervoorziening veilig te stellen

2.Europese eisen aan brijnlozing
Het Europese juridische kader voor waterkwaliteit wordt vooral gevormd door de KRW, de Richtlijn Prioritaire Stoffen (RPS) en de Grondwaterrichtlijn (GWR). Deze richtlijnen hebben tot doel de chemische en ecologische waterkwaliteit te verbeteren. Ze bieden algemene kaders voor de vaststelling van waterkwaliteitseisen, stroomgebiedbeheerplannen en maatregelenprogramma’s. In de bijlagen bij deze richtlijnen worden in brijn voorkomende stoffen genoemd, zoals chloride, metalloïden en metalen.

Nationale regulering van brijnlozing is noodzakelijk om de KRW-doelstellingen te bereiken. Om dit te kunnen bereiken moeten deze doelstellingen worden vertaald naar Europese en nationale normen die aangeven waaraan de (chemische en ecologische) waterkwaliteit en (grond)waterkwantiteit moeten voldoen. Als niet aan deze eisen wordt voldaan, moet de lidstaat maatregelen treffen of een KRW uitzonderingsgrond –  fasering, doelverlaging, tijdelijke achteruitgang, nieuwe duurzame ontwikkelingen of veranderingen – inroepen.

Lozingsvergunning
Op grond van zowel de RPS als de GWR geldt voor brijnlozing dat deze – afhankelijk van de stoffen die aanwezig zijn in de lozing – voorkomen dan wel beperkt moet worden. Dit maakt lozing van brijn problematisch, maar niet per definitie ontoelaatbaar. De KRW biedt de mogelijkheid via een individuele toestemming (ontheffing of vergunning) voor de lozing van verontreinigende stoffen af te wijken van het verbod op de directe lozing van verontreinigende stoffen in het grondwater. Ook op grond van de GWR is het mogelijk een vergunning voor directe lozingen in grondwater te verlenen, mits de lozing de chemische toestand van het grondwater niet verslechtert en geen significante en aanhoudende stijgende trend in het grondwater veroorzaakt. Daarnaast moet er rekening worden gehouden met de beste milieupraktijken en de best beschikbare technieken uit de toepasselijke Europese wetgeving. Bovendien moet het grondwaterlichaam goed worden gemonitord.

3 Nederlandse eisen aan brijnlozing
In Nederland zijn er al vele  ontziltingsinstallaties in werking die brijn lozen in de ondergrond, op het riool of op zee. Op basis van de nationale (water)wetgeving kan de overheid lozing van brijn door een ontziltingsinstallatie reguleren. De provincie Zuid Holland stelde ten aanzien van ontziltingsinstallaties en brijnlozingen restrictief beleid voor, omdat inmiddels honderden tuinders ontzilting toepassen. De grondwaterkwaliteit in Zuid-Holland wordt hiermee behoorlijk bedreigd.

Zuid-Holland wilde  brijnlozingen na 2013  in principe niet meer  toestaan als die niet voldoen aan het Lozingenbesluit bodembescherming. Dit is in de Tweede Kamer besproken en vervolgens is een gedoogregeling van tien jaar bepleit en goedgekeurd voor de 400 bestaande lozingen in Zuid-Holland.

Ridderkerk
Het drinkwaterbedrijf Oasen is in Ridderkerk een proefproject gestart om op innovatieve en energiezuinige wijze (0,6 kWh per m³ water) brak grondwater op diepte te ontzilten voor de levering van drinkwater. De installatie in de winput  werkt op basis van omgekeerde osmose en maakt gebruik van de aanwezige hydrostatische waterdruk. Het drinkwater wordt naar het maaiveld gepompt terwijl het brijn in de bodem achterblijft en  wordt geloosd in  dieper gelegen, eveneens zout,  grondwater.

De installatie kent twee filtertrajecten. Het eerste filtertraject onttrekt het brakke water, waarna het door het omgekeerde osmose membraan wordt gefilterd. Het tweede filtertraject infiltreert het brijn naar een dieper gelegen laag van soortgelijke waterkwaliteit. Op deze locatie en diepte gaat het dan om natuurlijk, gebiedseigen grondwater met twee keer verhoogde concentraties van deze gebiedseigen stoffen. Omdat er tussen onttrekkingsfilter en infiltratiefilter kleilagen aanwezig zijn, worden kortsluitstroming en nestvervuiling (het lozen van brijn in de laag met grondwater dat wordt opgepompt om ontzilt te worden) voorkomen.

Het project in Ridderkerk dient als  voorbeeld van  de regulering die  in Nederland van toepassing is op een  ontziltingsinstallatie voor de winning van drinkwater met brijnlozing in de diepe ondergrond.

Waterwet en andere wetgeving
Zowel voor de winning van grondwater als voor de lozing van brijn in de ondergrond is een watervergunning vereist op grond van de Waterwet. Daarnaast is - als het brijn op een diepte van meer dan 100 meter beneden de oppervlakte wordt geloosd – een omgevingsvergunning nodig voor de oprichting van de installatie op basis van de Mijnbouwwet en de Wet algemene bepalingen omgevingsrecht (Wabo).

De lozing van brijn is problematisch omdat het brijn stoffen bevat die voorkomen op Lijst I of II, zoals chloride, metalloïden en metalen. Voor deze stoffen gelden kwaliteitseisen om de goede chemische toestand van grondwaterlichamen te kunnen bereiken. De drempelwaarden zijn per grondwaterlichaam verschillend, vooral ten aanzien van chloride. Zo is bijvoorbeeld voor het grondwaterlichaam ‘Zand Rijn-Oost’ (Oost-Nederland) voor chloride de minimale drempelwaarde van 140 mg/l vastgesteld, terwijl voor het grondwaterlichaam ‘Zout Rijn-West’ (West-Nederland) een drempelwaarde als ‘niet relevant’ wordt beschouwd. Reden hiervoor is dat voor grondwaterlichamen met (natuurlijke) zoutwatersystemen geen drempelwaarden voor chloride zijn afgeleid.

De drempelwaarden voor de in het brijn voorkomende metalloïden en metalen, zoals arseen (15,0 μg/l) en nikkel (30,0 μg/l) zijn voor Zand Rijn-Oost en Zout Rijn-West gelijk.

Op grond van de Waterwet is het mogelijk om op basis van maatschappelijke afwegingen van de kwaliteitseisen af te wijken in waterplannen of beleid. Dit neemt niet weg dat bij elk individueel besluit rekening moet worden gehouden met de KRW-doelstellingen voor het bedoelde waterlichaam.

Al was het maar omdat een bestuursorgaan op grond van de Algemene wet bestuursrecht bij het nemen van besluiten rekening dient te houden met zijn eigen beleid, waaronder dus ook de waterplannen.

Lozingenbesluit bodembescherming
Het bestaande beleid voor brijnlozingen is gebaseerd op het Lozingenbesluit bodembescherming. Voor een lozing in de bodem buiten een inrichting mag onder voorwaarden ontheffing worden verleend voor hoogstens vier jaar. Hierbij is relevant hoe schadelijk de stof is en of deze voorkomt op Lijst I of Lijst II

bij het Lozingenbesluit bodembescherming. Dit besluit dient ook ter implementatie van de KRW en de GWR. Het hangt dus in de eerste plaats van de samenstelling van het brijn af of een ontheffing voor een lozing al dan niet kan worden verleend.

Op basis van informatie over de samenstelling van het diepere, brakke grondwater ter plekke (afkomstig van een waarnemingsput binnen het wingebied), kan de meest waarschijnlijke samenstelling van het brijn worden bepaald. Het brakke grondwater uit de winput in Ridderkerk bevat stoffen die zowel in Lijst I als II staan, zoals chloride, metalloïden en metalen (waaronder arseen, barium en nikkel.). De chlorideconcentratie in het brakke grondwater ligt tussen de 150-1000 mg/l. Het membraan heeft een beoogde  “recovery” van 50%. De concentraties van deze stoffen in het brijn worden daarmee verdubbeld. Uit berekeningen volgt dan dat een aantal van deze metalloïden en metalen, waaronder arseen, barium en nikkel de streefwaarden zullen overschrijden.

De interventiewaarden worden echter niet overschreden, wat betekent dat er geen sprake is van ernstige verontreiniging.

Activiteitenbesluit
Per 1 januari 2013 vervalt het Lozingenbesluit bodembescherming. In plaats daarvan gelden het Besluit algemene regels voor inrichtingen voor milieubeheer (Activiteitenbesluit) en het Besluit lozen buiten inrichtingen. Omdat de drinkwaterinstallatie onder het begrip inrichting valt, zou de lozing van brijn afkomstig van ontzilting van brak grondwater voor de drinkwaterbereiding ook kunnen worden gereguleerd op basis van het Activiteitenbesluit.

Advies Technische Commissie Bodem
De Technische Commissie Bodem heeft advies gegeven over de regulering van  brijnlozingen door de agrarische sector. De commissie concludeert dat het lozen van brijn, ontstaan bij het geschikt maken van brak grondwater als gietwater ten behoeve van de tuinbouw, niet past binnen de randvoorwaarden van duurzaam gebruik en als laatste optie moet worden gezien. Daarbij moet aan de volgende voorwaarden worden voldaan:

• de chlorideconcentratie van het brijn is ongeveer gelijk aan, dan wel lager dan de chlorideconcentratie van het water waarbinnen het brijn wordt geloosd;
• de concentraties van andere stoffen in het brijn voldoen aan de voor deze stoffen in het ontvangende water gestelde normen;
• tussen de laag waaruit het grondwater wordt opgepompt en de laag waarin het brijn wordt geloosd, dient een waterscheidende laag aanwezig te zijn;

voor het oppompen van grondwater en lozen van brijn is een collectief systeem het uitgangspunt. Een collectief systeem heeft als voordeel dat er weer mogelijkheden ontstaan om het brijn in dieper gelegen grondwaterlagen te infiltreren of naar zoute wateren af te voeren, omdat het dan betaalbaar zal worden. Daarbij mogen de in het brijn aanwezige stoffen, anders dan chloride, de geldende normen niet overschrijden. Bovendien dient controle op het proces plaats te vinden;

de kwaliteit van het grondwater in het eerste en tweede watervoerend pakket dient gemonitord te worden. Dit geldt ook voor het te lozen brijn. Op deze wijze kan worden geverifieerd of wordt voldaan aan het stand-still-beginsel.

De voorwaarden die de Technische Commissie Bodem heeft ontwikkeld ten aanzien van de lozing van brijn, kunnen ook worden gebruikt ter regulering van brijnlozing door een drinkwaterbedrijf. Alleen voorwaarde 4, waarin een collectief systeem wordt voorgesteld, is niet relevant voor drinkwaterbedrijven. Vanwege de schaal van de winning en de mogelijkheid om kosten door te berekenen aan klanten, is het  voor drinkwaterbedrijven ook individueel mogelijk om op zeer zorgvuldige wijze brijn te lozen en de waterkwaliteit te monitoren. De Technische Commissie Bodem heeft geen aandacht besteed aan energiezuinigheid en de maximaal te onttrekken hoeveelheid brak grondwater ter voorkoming van uitputting van de voorraad brak water en van bodemdaling. Het zou verstandig zijn als het Ministerie van I en M ook over deze aspecten advies in zou winnen, net als over de voorwaarden waaraan lozing van brijn in verziltende rivieren moet voldoen.

4Conclusie
Klimaatverandering heeft grote consequenties voor het waterbeheer. Zo versterkt klimaatverandering het autonome proces van verzilting in West-Nederland. Waterschaarste vormt een nieuwe bedreiging waar Nederlanders aan zullen moeten wennen. Er zal gezocht moeten worden naar alternatieve bronnen. Een alternatieve bron voor de bereiding van drinkwater is de toepassing van ontzilting van brak water door omgekeerde osmose. Dat is relatief nieuw in Nederland maar geen nieuw verschijnsel in Europa.. De Europese Waterschaarste- en droogtestrategie beveelt aan om dergelijke extra infrastructuur pas te overwegen als andere opties om met waterschaarste om te gaan, zoals zuiniger omgaan met water, zijn uitgeput.

Vanwege het autonome proces van verzilting en de bestaande beprijzing van drinkwater in lijn met het 'gebruiker betaalt'-beginsel van de KRW, lijkt experimenteren met ontziltingsinstallaties een geschikte adaptatiemaatregel om de zoetwatervoorziening in West-Nederland te beschermen. Er zijn uiteraard ook andere oplossingen denkbaar. Zo beveelt de Commissie Veerman aan om het water voor West-Nederland aan te voeren vanuit het IJsselmeer en in het westen op te slaan in diepe polders. De haalbaarheid van deze oplossing hangt echter nauw samen met de haalbaarheid van de controversiële peilstijging van het IJsselmeer met anderhalve meter.

Het gebruik van ontziltingsinstallaties en daarmee samenhangend de schade die lozing van brijn kan veroorzaken maakt regulering noodzakelijk. Lozing op grondwater, oppervlaktewater en kustwater kan leiden tot verontreiniging daarvan en tot schade aan ecosystemen. Gelet op de doelstellingen van de KRW, moeten de lidstaten brijnlozingen dusdanig reguleren dat deze het (water) milieu zo min mogelijk belasten. Door het gebrek aan sturing vanuit de EU ontstaat het risico dat lozingen van ontziltingsinstallaties ongereguleerd blijven. In Nederland is voor de landbouwsector uitgedacht aan welke voorwaarden brijnlozingen moeten voldoen om toelaatbaar te zijn. Deze eisen zijn nog niet vertaald in bindende regelgeving. Uit onze analyse blijkt dat het denkbaar is om binnen de huidige wettelijke kaders een geschikt juridisch kader te ontwikkelen, dat gebruik van ontziltingsinstallaties om de zoetwatervoorziening in west Nederland veilig te stellen. mogelijk maakt.

De volgende voorwaarden zijn relevant bij de ontwikkeling van een juridisch kader voor de regulering van de lozing van brijn in grondwater: (1) De chlorideconcentratie van het brijn is ongeveer gelijk aan, dan wel lager dan de chlorideconcentratie van het water waarop het brijn wordt geloosd. De concentratie van andere stoffen in het brijn voldoet aan de voor deze stoffen in het ontvangende water gestelde normen. (2) De in het brijn aanwezige stoffen, anders dan chloride, mogen de geldende normen niet overschrijden. (3) Er dient een waterscheidende laag aanwezig te zijn tussen de laag waaruit het grondwater wordt opgepompt en de laag waarin het brijn wordt geloosd. (4) Er dient controle op het proces plaats te vinden. De kwaliteit van het te lozen brijn en het ontvangende water dient gemonitord te worden. Op deze wijze kan worden geverifieerd of wordt voldaan aan het stand-still-beginsel. Daarnaast dient aandacht te worden besteed aan (5) energiezuinigheid en (6) de maximaal te onttrekken hoeveelheid brak grondwater ter voorkoming van uitputting van de voorraad brak water en van bodemdaling.

Machinerichtlijn is geen richtlijn maar wet
De Europese Machinerichtlijn uit 1995 is conform de werkwijze van de EU door de lidstaten opgenomen in hun nationale wetgeving. In Nederland is de Machinerichtlijn opgenomen in de Warenwet. Daarmee is de MRL dus geen richtlijn in de zin van een aanbeveling, waar je wel of niet gevolg aan kunt geven. De Machinerichtlijn heeft gewoon kracht van wet. En overheidsorganisaties moeten voldoen aan de wet- en regelgeving.

Ontwatering met centrifuges, biologische fosfaatverwijdering en vergisting van slib vergen een hoger polymeerverbruik, maar veranderingen in het gebruik van deze technieken verklaren deze toename niet volledig. De toename van biologische fosfaatverwijdering heeft de grootste invloed, maar ook bij slib van chemische fosfaatverwijdering is er een toename van het polymeerverbruik. Organisatorische veranderingen zorgen voor minder betrokkenheid van de bedrijfsvoerders bij de slibontwatering en kunnen mede bijdragen aan een toename van het verbruik.

Het Grensmaasproject, ontwikkeld na de hoogwaters van 93/95 in de Maas, heeft tot doel het verhogen van de veiligheid en de ontwikkeling van nieuwe natuur en vindt plaats in combinatie met ontgrinding. Sinds 2008 wordt het vrijgekomen grind verwerkt in een haven van het Julianakanaal nabij Itteren. Het toutvenant wordt in de verwerkingshaven gewassen en het retourwater gaat via bezinkbassins en de verwerkingshaven terug naar het Julianakanaal. Hierdoor stroomt er met enige regelmaat troebel water het Julianakanaal in. Tot op heden is het niet bekend wat de gevolgen van een dergelijke vertroebeling zijn op de flora en fauna in het kanaal en in de Maas. In de nabije toekomst zullen er in het Julianakanaal meerdere werkzaamheden gaan plaatsvinden welke wellicht bijdragen aan extra vertroebeling. Voor o.a. de Kaderrichtlijn Water (KRW) is het van belang om te weten of er mogelijk cumulatieve vertroebeling ontstaat en wat de effecten hiervan zijn op flora en fauna.

Voorbeeld daarvan is de dood van enkele honden langs de Randmeren en in de kop van Noord-Holland in 2011 (Almere Dichtbij 25 mei 2001; De Telegraaf 30 september 2011). De gezondheidsrisico’s zijn vooral het gevolg van gifstoffen die door de diverse blauwalgensoorten aangemaakt kunnen worden. Het wel of niet produceren van de gifstoffen verschilt binnen een soort weer per ondersoort (stam). De totale giftigheid van het water wordt zodoende bepaald door de samenstelling van de blauwalgenpopulatie zowel op soort- als op stamniveau. Het tijdig signaleren van soorten en stammen die gifstoffen kunnen produceren is daarmee van cruciaal belang om snel maatregelen te kunnen treffen.

Sinds de beginjaren 2000 is er in Nederland voor waterbeheerders een protocol beschikbaar waarin toegelicht wordt hoe te handelen in het geval van (overmatige) blauwalgenbloei. De eerste versies van het protocol (opgesteld door Gezondheidsraad, in 2001) richtten zich op de aanwezigheid van de gifstof microcystine (een natuurlijke gifstof die past in het rijtje van curare en cobratoxine). Microcystine is de meest algemeen voorkomende gifstof die door blauwalgen geproduceerd kan worden. Langdurige blootstelling aan de stof kan leiden tot leverschade. Naast microcystine kunnen de verschillende blauwalgsoorten ook andere gifstoffen produceren waaronder saxitoxine en anatoxine. Dergelijke stoffen hebben een effect op het zenuwstelsel en kunnen direct na inname leiden tot verlammingsverschijnselen of zelfs een acute dood (Faassen et al., 2012). Door alleen te focussen op microcystine schiet een dergelijk protocol dus tekort. Het uitbreiden van het protocol met meerdere gifstoffen is lastig: er zijn geen goede richtlijnen voorhanden over gevaarlijke concentraties, en meetmethoden zijn specialistisch en daarmee prijzig. Naar aanleiding hiervan is er sinds 2009 een blauwalgenprotocol beschikbaar waarin de focus ligt op de (potentiële) producenten van de diverse gifstoffen. Dit heeft geleid tot een protocol waarin het kwantificeren van blauwalgencellen voorop staat.

Het goed kwantificeren van blauwalgencellen geschiedt momenteel onder een microscoop en is niet eenvoudig. Blauwalgen komen voor in vele soorten en maten en kunnen groeien in uiteenlopende vormen. Bovendien zijn ze in staat kolonies te vormen van vele tienduizenden cellen groot. Er is veel kennis en ervaring voor nodig om deze onder een microscoop te herkennen en te kwantificeren. Sinds de invoering van het Blauwalgenprotocol (2009) is men in Nederland dan ook op zoek gegaan naar een relatief eenvoudige methode die op een objectieve manier kan aangeven wat de biomassa van (potentieel) giftige blauwalgen is. Eén van die methodes is gebaseerd op het gebruik van een fluorescentiemeter. Een dergelijk apparaat bepaalt een specifiek pigment dat alle blauwalgen bezitten: het fycocyanine. Dit is een blauwachtig pigment dat net als chlorofyl (bladgroen) bijdraagt aan het invangen van zonne-energie voor de groei van de blauwalg. De methode is snel en kan direct in het veld toegepast worden (van der Oost, 2010). Nadeel van de apparaten is dat er op geen enkele wijze onderscheid gemaakt wordt tussen (potentieel) toxische blauwalgen en blauwalgen die geen risico vormen. Als eerste indicator van de hoeveelheid blauwalgen worden momenteel fluorescentiemeters ingezet omdat deze snel zijn. Voor het instellen van een risiconiveau zijn fluorescentiemetingen echter niet betrouwbaar (Blauwalgenprotocol versie 2012).

DNA-technieken zijn een goed alternatief voor bovenstaande technieken om blauwalgen te kwantificeren. Dergelijke technieken hebben als voordeel dat ze betrouwbaar, snel, reproduceerbaar, objectief en op termijn goedkoop antwoord kunnen geven op de aanwezige hoeveelheid potentieel giftige blauwalgen. Ze vinden ook toepassing in ecologische vraagstukken, zoals het opsporen van de vissoort de grote modderkruiper (Herder et al., 2012).

KWR en Deltares hebben de afgelopen 3 jaar gewerkt aan genetische detectie en kwantificering van toxine-producerende blauwalgen met behulp van quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR). Bij qPCR wordt een specifiek stukje van het DNA-molecuul (het target DNA) synthetisch vermeerderd tot er voldoende is om het te kunnen detecteren. Daarvoor worden specifieke primers ontwikkeld. Dat zijn kleine stukjes DNA die enkel binden aan het target DNA. Via qPCR wordt dan enkel het target DNA vermenigvuldigd. Geschikt target DNA bij blauwalgen zijn DNA-moleculen die betrokken zijn bij het maken van fycocyanine (wat enkel bij blauwalgen voorkomt) of die betrokken zijn bij de vorming van blauwalg-gifstoffen (zoals microcystine). Het vermenigvuldigde PCR-product wordt tijdens de reactie gelabeld met een fluorescerende stof om de hoeveelheid te kunnen vaststellen. Bij KWR wordt sinds 2009 gewerkt aan qPCR van fycocyanine-genen van vier blauwalggeslachten. Deltares werkt sinds 2010 aan detectie van microcystine synthetase-genen, die betrokken zijn bij de productie van microcystine. In 2011 hebben beide instituten samengewerkt aan de genetische detectie van toxine-producerende blauwalgen in verschillende Nederlandse zwemwateren, in opdracht van RWS Waterdienst.

Werkwijze
Bij de ontwikkeling van een qPCR methode gericht op potentieel toxische blauwalgen, is ervoor gekozen om het fycocyanine gen te detecteren. Hierbij is de aandacht in eerste instantie vooral gericht op de opsporing van de 4 meest voorkomende blauwalggeslachten: Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis en Planktothrix. Hierbij zijn voorlopig andere geslachten, zoals Woronichinia, buiten beschouwing gelaten. Op basis van wetenschappelijke literatuur zijn primer-probe combinaties onderzocht en waar nodig aangepast. De moleculaire methoden zijn toegepast op diverse celculturen die commercieel verkrijgbaar zijn. Testen wezen uit dat de ontwikkelde methoden zeer specifiek werken. Het onderscheid tussen Aphanizomenon en Anabaena bleek moeilijk vast te stellen. Op basis van taxonomie is dit al lastig maar blijkbaar ook op basis van DNA (Gugger et al., 2002). In dit onderzoek is daartoe een viertal primer-probe combinaties uitgetest. Daarvan bleek één methode zich vooral te richten op Anabaena en een ander vooral op Aphanizomenon. De overige 2 combinaties vertoonden overlap in het opsporen en onderscheiden van beide geslachten.

Bij de ontwikkeling van een qPCR methode gericht op toxine-producerende blauwalgen, is ervoor gekozen om het microcystine-synthetase gen (mcyD) te detecteren. Microcystine is namelijk een veelvoorkomende blauwalgtoxine die door verschillende blauwalggeslachten kan worden gemaakt. Voor het geslacht Microcystis was deze methode al operationeel, maar het is ook belangrijk dat andere microcystine-producerende blauwalgen (bijv. Anabaena, Plankthotrix, Woronichinia, etc) ermee kunnen worden gedetecteerd.

Er is daarom een qPCR ontwikkeld voor een geconserveerd stuk van het microcystine-synthetase gen, mcyE genaamd, dat bij al deze geslachten voorkomt. Vervolgens is de methode getest op een aantal reincultures waarvan bekend is dat ze juist wel of juist niet microcystine kunnen produceren. Ook is het PCR-product, dus het stukje dat tijdens de analyse gesynthetiseerd wordt, voor diverse monsters geïdentificeerd. In alle gevallen bleek het inderdaad om het microcystine-synthetase gen te gaan, afkomstig van diverse blauwalggeslachten.

Met deze kennis is in 2011 een groot veldonderzoek uitgevoerd waarbij de ontwikkelde methodiek is toepast op 21 officiële zwemwaterlocaties en 8 stadsvijvers waar overlast van blauwalgen met enige regelmaat aangetroffen werd. Van elke locatie zijn de vier blauwalggeslachten geanalyseerd met behulp van qPCR en lichtmicroscopie. Aanvullend zijn de monsters geanalyseerd op de aanwezigheid van microcystine-synthetase genen.

Resultaten veld
In 2010 heeft KWR van 24 zwemwaterlocaties gedurende het zwemwaterseizoen monsters ontvangen en deze met behulp van qPCR geanalyseerd (Wullings et al, 2010). Uit die studie bleek een groot verschil tussen microscopisch getelde eenheden en qPCR-aantallen. Met behulp van batchproeven is echter aangetoond dat er een duidelijk verband bestaat tussen beide aantallen (Figuur 1). Op basis van deze proeven zijn conversiefactoren gedefinieerd, die vervolgens zijn toegepast op de qPCR-resultaten van de veldstudies uit 2010 en 2011. Zodoende kon beoordeeld worden in hoeverre met behulp van qPCR verkregen data vergelijkbaar zijn met tellingen zoals die uitgevoerd zijn door diverse laboratoria in het land. Er is voor deze vergelijking alleen gebruik gemaakt van microscopische gegevens waarin men daadwerkelijk ingeschat heeft hoeveel cellen er zich van de genera Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis en Planktothrix in het water bevonden.Voor de meeste locaties werd voor de dominante geslachten een significante relatie gevonden tussen de aantallen verkregen via de twee verschillende technieken.

Bovendien bleek voor een groot aantal locaties de dynamiek van de blauwalgendichtheden in de tijd, zoals die met qPCR gevonden wordt, goed overeen te komen met microscopie data (ter illustratie zie Figuur 2). Wanneer de resultaten van alle locaties vergeleken worden, vallen drie dingen op:
• Beide technieken geven resultaten in dezelfde orde van grootte (hoogste dichtheden 106 cellen/DNA kopieën per ml);
• De dynamiek van de dominante populaties is over het algemeen zeer goed vergelijkbaar;
• Bij lagere dichtheden is op basis van DNA analyse minder populatiedynamiek waarneembaar dan op basis van de microscopische tellingen.

De waarnemingen geven aan dat celtellingen op basis van microscopie en op basis van qPCR technieken voor deze blauwalggeslachten goed met elkaar overeenkomen.

Om in te schatten welk percentage van de aanwezige Microcystis in de watermonsters ook daadwerkelijk microcystine kan produceren, zijn de resultaten van microcystine-synthetase gen qPCR (mcyD)vergeleken met totale hoeveelheid aanwezige Microcystis (dna kopieën/ml). Er blijkt een goede correlatie tussen beiden te zijn, waarbij slechts 5 à 10 % van Microcystis microcystine lijkt te kunnen produceren (Figuur 3). Vervolgens is in een groot aantal zwemwatermonsters gekeken in hoeverre de resultaten van de nieuw ontwikkelde mcyE qPCR overeenkomen met de aanwezigheid van bekende microcystine-produceerders. Er bleek een grote diversiteit te bestaan in het aandeel microcystine-produceerders van een op dat moment aanwezige populatie blauwalgen. Het aandeel microcystine-produceerders varieerde tussen zwemwaterlocaties, maar ook op één zwemwaterlocatie in de loop van het seizoen kon dit aandeel aanzienlijk fluctueren. Voor meerdere monsters bleek dat <1% van de gedetecteerde soorten microcystine kan produceren, maar in enkele gevallen werd meer dan 100% gevonden. Dit duidt op de aanwezigheid van microcystine-produceerders die momenteel nog niet met behulp van de qPCR gericht op het fycocyanine gen gedetecteerd worden. Hier worden dus potentiële microcystine-produceerders aangetoond die met de andere gebruikte methoden onopgemerkt bleven. De variatie in de hoeveelheid mcyE genen, zoals aangetoond via qPCR, maakt hiermee ineens het potentiële risico van microcystine-productie op een specifieke plek duidelijk.

Implementatie
Analyse van fycocyanine- en toxinesynthetasegenen kan veel inzicht geven in de aanwezigheid, de ecologie en het voorkomen van verschillende geslachten van blauwalgen in Nederlandse zwemwateren en de hieraan gekoppelde gezondheidsrisico’s.

Uit het huidige onderzoek blijkt dat qPCR methoden uitermate geschikt zijn voor monitoring van (potentieel) toxische blauwalgen. De methoden geven snel en objectief inzicht in de dichtheid van cyanobacteriecellen en de potentiële toxineproductie. Met betrekking tot standaardisering en algemene toepassing in verschillende laboratoria is er nog een aantal obstakels te overwinnen. Dat kan relatief eenvoudig en op korte termijn door in de diverse laboratoria gebruik te maken van gestandaardiseerde protocollen voor DNA-extractie en qPCR, en het gebruik van een algemene standaard voor de calibratie van de methode. De verwachting is dat de spreiding tussen laboratoria minimaal zal zijn, in tegenstelling tot wat bij de gangbare microscopische technieken de praktijk is. Zeker als screenings-/monitoringsmethode biedt qPCR waterbeheerders de mogelijkheid om tijdig te reageren op eventuele problemen met potentieel (toxische) blauwalgen op zwemwaterlocaties en in overige water gerelateerde recreatiegebieden.

Literatuur
1. NWO, Blauwalgenprotocol 2012
2. Faassen, E. J., L. Harkema, L. Begeman, M. Lurling (2012). First report of (homo)anatoxin-a and dog neurotoxicosis after ingestion of benthic cyanobacteria in The Netherlands. Toxicon 60,
3: 249-426. 3. Gezondheidsraad (2001). Microbiële risico’s van zwemmen in de natuur. Report Health Council of the Netherlands.
4. M. Gugger, C. Lyra, P. Henriksen, A. Coute, J.F. Humbert , K. Sivonen (2002). Phylogenetic comparison of the cyanobacterial genera Anabaena and Aphanizomenon. Int. J. Sys. & Evol. Microbiol. 52: 1867–1880
5. Herder, J., A. Valentini & J. Kranenbarg (2012). Detectie van grote modderkruipers met behulp van Environmental DNA. H2O 3: 25-27.
6. Oost, van der, R. (2010). Toepassing van fluorescentie bij de beoordeling van de risico’s van giftige blauwalgen. Stowa report 2010-18.
7. Wullings B., D. van der Linde, M. van Oostveen, E. Kardinaal (2010). Monitoringsonderzoek voor toxische cyanobacteriën in zwemwater met qPCR in vergelijking met celtellingen. KWR rapport 2010.100. In opdracht van RWS Waterdienst.