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Influence of wastewater composition and operational mode on the community structure of nitrifying bacteria in wastewater treatment plants
Anneliese Müller
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Michael Wagner
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.2431
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29204.77298.641065-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Nitrifikation is ein wesentlicher Bestandteil der Stickstoffentfernung aus Abwasser und wird vor allem den zwei funktionellen Gruppen der Ammonium-oxidierenden Bakterien (AOB) und Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOB) zugeschrieben. Vor einiger Zeit konnte die Oxidation von Ammonium auch bei Vertretern der Archeen festgestellt werden (Ammonium-oxidierende Archeen (AOA)), deren Rolle bei der Abwasserreinigung aber noch unbekannt ist. Da Nitrifikation in Kläranlagen häufig Störungen unterworfen ist, ist sie Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Dabei wird oft Bezug auf das ökologische Konzept der funktionellen Redundanz genommen, welches besagt, dass ein Prozess stabiler ist wenn er von mehreren verschiedenen Arten ausgeführt wird, da diese unterschiedlich auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren können und somit die Wahrscheinlichkeit steigt, dass manche der Arten die Reaktion selbst noch unter nachteiligen Umweltbedingungen durchführen. In Rahmen dieser Studie wurden 21 Kläranlagen, die sich in Aufbau, Operationsmodus und Zusammensetzung des Zuflusses unterschieden, mithilfe von FISH auf ihre Diversität an AOB und NOB sowie auf die Häufigkeit von Bakterien der Gattung Nitrospira untersucht. Darüber hinaus wurden innerhalb der Gattung Nitrospira die jeweiligen Abundanzen von Cluster I- und Cluster II-Nitrospiren ermittelt. Anschließend sollte untersucht werden ob und inwiefern Diversität und Abundanz der nitrifizierenden Bakterien durch kläranlagen-spezifische Parameter beeinflusst werden. Vertreter des N. oligotropha-Clusters sowie des Nitrospira Clusters I konnten in fast allen Anlagen detektiert werden, was einerseits eine hohe Anpassungsfähigkeit dieser Bakterien an verschiedene Bedingungen bedeuten könnte, sowie andererseits das Auftreten mehrerer unterschiedlicher an verschiedene Bedingungen angepasste Arten oder Populationen innerhalb der Cluster. Wurden nur „Sequencing Batch Reaktoren“ (SBRs) für die Analyse herangezogen, war ein Zusammenhang zwischen dem Vorkommen halophiler bzw. –toleranter AOB und erhöhten C- und N-Konzentrationen sowie erhöhter Leitfähigkeit erkennbar. Dieser Trend stimmt mit bisherigen Annahmen überein, denen zufolge diese AOB vornehmlich in nährstoffreichen Habitaten vorkommen und zudem eine hohe Salztoleranz aufweisen. Manche halophile bzw. –tolerante AOB scheinen sogar erhöhte Salinität zum Wachstum zu benötigen. Dieser Zusammenhang sollte dennoch kritisch betrachtet werden, da er nur unter Ausschluss der konventionellen Anlagen aus der Analyse gefunden werden kann. Während die Vergleichbarkeit von C- und N-Konzentrationen zwischen den zwei unterschiedlichen Anlagentypen fraglich ist, wurde die Leitfähigkeit jedoch als vergleichbar eingestuft. Unter Berücksichtigung beider Anlagentypen konnte ein leichter Trend gesehen werden, wonach die Abundanz von Cluster I-Nitrospiren mit zunehmender Leitfähigkeit abnimmt während die Abundanz von Cluster II-Nitrospiren zunimmt. Um diesen Trend zu bestätigen sollten jedoch weitere Anlagen untersucht werden. Für eine Untersuchung der Diversität wurde die Anzahl der verschiedenen pro Probe detektierten AOB- oder/und NOB-Cluster herangezogen. Interessanterweise konnten signifi-kante Korrelationen zwischen zunehmender Diversität und zum einen steigender Temperatur, zum anderen einer steigenden Konzentration an Biomasse (Trockensubstanz) festgestellt werden. Eine Korrelation zwischen Diversität und der Konzentration an Biomasse ist jedoch fraglich, da die Konzentration an Trockensubstanz über die Menge an abgezogenem Übersschlussschlamm aktiv reguliert werden kann, was Interpretationen nur eingeschränkt zulässt. Zumindest für SBRs konnte eine signifikante Korrelation zwischen der zugeführten C-Konzentration und der Biomassekonzentration festgestellt werden, die als gesteigerte Produktivität bei erhöhter Nährstoffzufuhr interpretiert werden kann. Diese erhöhte Produktivität kann wiederum in Zusammenhang mit erhöhter Diversität gesetzt werden da eine höhere Verfügbarkeit an Ressourcen das Überleben mehrerer unterschiedlicher Arten ermöglichen könnte. In manchen Proben wurde die Anwesenheit bisher noch unbekannter Vertreter der Gattung Nitrospira vermutet. Diese Annahme konnte jedoch bisher durch eine Analyse von 16S rDNA Sequenzen nicht bestätigt werden. Die vermeintlich noch unbekannten Nitrospiren wurden oft gemeinsam mit halophilen bzw. –toleranten AOB detektiert und ihr Vorkommen scheint wie das halophiler bzw. –toleranter AOB mit erhöhten C- und N-Konzentrationen zu korrelieren, vorausgesetzt, dass nur SBRs in der Analyse berücksichtigt werden. Im Großen und Ganzen konnten Auftreten und Abundanz von Nitrifikanten anhand der beobachteten Parameter nicht zur Genüge erklärt werden. Vermeintliche ammonium-oxidierende Archeen der Gruppe Crenarchaeota konnten mittels PCR in drei Proben nachgewiesen werden. CARD-FISH gab jedoch keine positiven Signale in diesen Proben, was möglicherweise auf eine extrem niedrige Abundanz und geringes Wachstum dieser AOA zurückgeführt werden kann. Dies wiederum könnte als Indiz für eine untergeordete Rolle dieser Prokaryoten in der Abwasserreinigung gewertet werden.
Abstract
(Englisch)
Nitrification is essential for nitrogen removal in wastewater treatment and primarily attributed to the two functional guilds of ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria, though importance of ammonia-oxidizing archaea is a matter of current discussions. As this process is still subjected to failures now and then, it is frequently investigated, also with regard to an ecological model proposing a process as more stable if the same function within the system is carried out by different species, which can react differently to changing conditions, thus increasing the probability of maintenance of the process even under detrimental conditions (functional redundancy). In 21 samples taken from wastewater treatment plants differing in design, operational mode and wastewater composition, the occurrence of AOB and NOB as well as abundances of Nitrospira-clusters have been determined by FISH. Linking this biological data to physical parameters of the investigated plants should provide information about factors influencing the occurrence or abundance of certain nitrifiers. Overall, representatives of the N. oligotropha-Cluster and the Nitrospira-Cluster I were found to occur most frequently in the wwtps, suggesting good capability of adapting to varying conditions or differently responding species or populations within these clusters. Halophilic and –tolerant AOB have been found at elevated carbon and nitrogen concentrations and at elelvated conductivity-levels considering solely SBRs, agreeing with previous assumptions of preferred nutrient-rich habitats, high salt-tolerance and partly even high salt-requirement of these AOB. Occurrence of these AOB did not correlate with elevated carbon, nitrogen and conductivity levels when the same analysis was performed for both, SBRs and conventional full-scale wwtps. However, comparability of carbon and nitrogen concentrations between SBRs and conventional wwtps is questionable. Conductivity, on the other hand, was comparable between all wwtps and a weak trend was visible proposing increasing abundances of Nitrospira-Cluster II-like and declining abundances of Nitrospira-Cluster I-like bacteria with increasing conductivity. However, more wwtps should be analyzed to confirm this observation. Significant correlations have been found for increasing diversity (in terms of the number of different AOB- and/or NOB-clusters in the samples) and increasing temperature as well as increasing concentrations of dry matter (biomass). The correlation between diversity and concentration of dry matter should be regarded critically, since this concentration is regulated by removal of excess sludge and thus allows only limited interpretation. However, as at least for SBRs the concentrations of dry matter seemed to be related to the amount of incoming C-compounds, relating the amount of biomass to the productivity of the system and the produc-tivity in turn to the diversity within the system, is tempting. Apart from increasing the overall abundance of bacteria, more resources might also increase species richness in a system. Furthermore, FISH-analysis indicated presence of yet unknown “other Nitrospira” in some of the samples, but this observation could not be confirmed by 16S rDNA sequence data. This proposed group has been found to co-occur with halophilic and –tolerant AOB in some samples, and to occur at elevated BOD5- and “Nin”-conc. like halophlic and –tolerant AOB, considering only SBRs. As all in all the investigated parameters do not sufficiently explain the biological data, other factors could be of more importance. Presence of putative ammonia-oxidizing crenarchaeotes could be shown for three samples. Still, this result does not tell much about the role of these organisms in nitrogen removal. However, negative results of specific CARD-FISH with these samples indicate extremely low abundance or growth and thus, if at all, little importance of these archaea.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
nitrifying bacteria wastewater treatment plants wastewater treatment operational mode stability diversity
Schlagwörter
(Deutsch)
nitrifizierende Bakterien Kläranlage Abwasserreinigung Abwasserzusammensetzung Betriebsweise Stabilität Diversität
Autor*innen
Anneliese Müller
Haupttitel (Englisch)
Influence of wastewater composition and operational mode on the community structure of nitrifying bacteria in wastewater treatment plants
Paralleltitel (Deutsch)
Einfluss von Abwasserzusammensetzung und Betriebsmodus auf die Diversität nitrifizierender Bakterien in Kläranlagen
Publikationsjahr
2008
Umfangsangabe
162, XIII S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Michael Wagner
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges
AC Nummer
AC07900908
Utheses ID
2076
Studienkennzahl
UA | 444 | | |
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