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Community dynamics of bacteria, with special focus on denitrifying bacteria, in a wastewater treatment plant subjected to a new operational mode "controlled disturbances"
Christiane Dorninger
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Michael Wagner
DOI
10.25365/thesis.2422
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29174.71166.605960-0
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der neue Betriebsmodus “controlled disturbances” wurde für die Abwasserbehandlung in einer Kläranage evaluiert. Seine charakteristischen Merkmale sind eine periodische Variation der den Klärbecken zugeleiteten Abwassermenge, sowie ein periodisches Aussetzen der Belüftung der Nitrifikationsbecken. Der Entwurf des Betriebsmodus zielte darauf ab, durch die Implementierung fluktuierender Umweltbedingungen die Anzahl an ökologischen Nischen für am Klärprozess beteiligte Mikroorganismen und folglich deren Diversität zu erhöhen. Eine Erhöhung der mikrobiellen Diversität sollte mit einer Erhöhung der funktionellen Redundanz der bakteriellen Lebensgemeinschaft einhergehen, wodurch deren funktionelle Stabilität unter ungünstigen Umweltbedingungen verbessert wird. Während seiner Implementierung ermöglichte der Betriebsmodus eine Erhöhung der EBPR- und Denitrifikationsraten, sowie einen niedrigeren Energieverbrauch für die Nitrifikation und eine Erniedrigung des Schlammindex.
“Controlled disturbances” stimulierte die denitrifiziernde Aktivität der Bakterien durch die Einführung anaerober Phasen in den Nitrifikationsbecken. Um zu untersuchen, ob die verbesserte Denitrifikationsleistung der Kläranlage auch mit Populationsdynamiken denitrifizierender Bakterien assoziiert war, wurde ein T-RFLP Experiment zur Untersuchung der Diversität der für die Nitrit-Reduktase kodierenden Genen (nirS, nirK) entwickelt. Die Resultate dieser Analyse deuten darauf hin, dass “controlled disturbances” eine Veränderung der Zusammensetzung der Population denitrifizierender Bakterien bewirkt, aber die Anzahl der vorhandenen Arten nicht erhöht hat. Des weiteren konnte ein Effekt auf die Diversität des nirS Gens beobachtet werde, während mögliche Auswirkungen auf die Diversität des nirK Gens uneindeutig waren. Diese unterschiedlichen Trends könnten durch die reduzierte Zugabe von Eisensalzen während “controlled disturbances” bedingt sein und könnten weiters von einer bis dato unerforschten Nischendifferenzierung nirS und nirK besitzender Bakterien herrühren.
Der Effekt von “controlled disturbances” auf die Struktur der gesamten bakteriellen Lebensgemeinschaft wurde mittels DGGE Analyse des 16S rRNS Gens untersucht. Die Ergebnisse dieser Experimente legen nahe, dass “controlled disturbances” zur Selektion einer neu strukturierten bakteriellen Lebensgemeinschaft geführt haben, welche die für die Abwasserreinigung nötigen Prozesse unter den neuen Umweltbedingungen effizienter ausgeführt hat, als jene Lebensgemeinschaft, die während der Implementierung des regulären Betriebsmodus anwesend war es unter den damals vorherrschenden Bedingungen tun konnte. Ob diese neue Lebensgemeinschaft nur unterschiedlich strukturiert oder auch diverser war, konnte mit den eingesetzten Methoden nicht mit Sicherheit festgestellt werden.
Zur Identifizierung von Bakterien deren Abundanz von “controlled disturbances” beeinflusst wurde, wurden FISH Sonden entworfen, die aus DGGE Banden erhaltene Sequenzen detektieren. Drei dieser Sonden konnten erfolgreich eingesetzt werden. Bei keiner der detektierten Populationen zeigte die Abundanz in Reaktion auf die Implementierung von “controlled disturbances” einen Trend, welcher mit dem der korrespondierenden DGGE Banden vergleichbar gewesen wäre. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Schlussfolgerungen über Abundanzveränderungen von Mikroorganismen basierend auf Sequenzen, die aus DGGE Banden gewonnen wurden, nicht ohne zusätzliche experimentelle Bestätigung getroffen werden können, im Speziellen dann wenn die betreffende Bande heterogene DNA beinhaltet hat.
Abstract
(Englisch)
A new operational mode termed “controlled disturbances” was evaluated for wastewater treatment. Its characteristic features are periodic changes of wastewater load and periodic shutdown of aeration of nitrification tanks. The operational mode was designed to enhance microbial diversity by introducing fluctuating environmental conditions and thus providing more niches for bacteria. Enhanced microbial diversity should increase the functional redundancy of the bacterial community and thus increase its functional stability when subjected to unfavourable conditions. During its implementation, “controlled disturbances” enabled higher EBPR and denitrification rates as well as lower energy requirements for nitrification and also improved the sludge settling behaviour.
“Controlled disturbances” introduced anaerobic phases to nitrification tanks which stimulated the denitrifying activity of bacteria. To investigate whether the improved denitrification performance of the wastewater treatment plant was also linked to community dynamics of denitrifying bacteria, a T-RFLP approach was developed for monitoring of nitrite reductase gene (nirS, nirK) diversity. Results indicated that “controlled disturbances” induced a shift of the community composition of denitrifying bacteria but did not enhance denitrifier species richness. An effect of “controlled disturbances” on nirS diversity was detected whereas effects on nirK diversity were inconclusive. Those different trends were probably caused by a reduced iron salt addition during “controlled disturbances” and could additionally be due to a hitherto unexplored niche differentiation of nirS and nirK possessing bacteria.
The effect of “controlled disturbances” on the entire bacterial community structure was investigated by DGGE analysis of 16S rRNA genes. The obtained data suggested that “controlled disturbances” selected for a newly structured bacterial population that was able to exhibit wastewater treatment processes in a more efficient way under the implemented environmental conditions than the community present during normal operation was able to do under the respective environmental conditions. Whether this community was more diverse or just differently structured could not be concluded with certainty. FISH probes targeting sequences obtained from DGGE bands were designed to identify bacteria whose abundance was affected by “controlled disturbances”. Three probes were successfully applied. None of these targeted populations showed a response to the implementation of “controlled disturbances” comparable to the DGGE bands they corresponded to. This finding suggests that it is problematic to draw conclusions about the occurrence of organisms in environmental samples based on sequence data obtained from DGGE bands, especially if bands contain heterogeneous DNA.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
bacterial community denitrifying bacteria wastewater treatment plant operational mode "controlled disturbances"
Schlagwörter
(Deutsch)
bakterielle Lebensgemeinschaft denitrifizierende Bakterien Kläranlage Betriebsmodus "controlled disturbances"
Autor*innen
Christiane Dorninger
Haupttitel (Englisch)
Community dynamics of bacteria, with special focus on denitrifying bacteria, in a wastewater treatment plant subjected to a new operational mode "controlled disturbances"
Paralleltitel (Deutsch)
Einfluss des neuen Betriebsmodus "controlled disturbances" auf die bakterielle Lebensgemeinschaft in einer Kläranlage mit besonderer Berücksichtigung der Population denitrifizierender Bakterien
Publikationsjahr
2008
Umfangsangabe
V, 123 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Michael Wagner
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines
AC Nummer
AC07660748
Utheses ID
2067
Studienkennzahl
UA | 444 | | |