Ökologie der Abwasserorganismen PDF
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Okologie der Abwasserorganismen Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio Lemmer/Griebe/Flemming (Hrsg.) Okologie der Abwasserorganismen Mit 73 Abbildungen, davon 5 Farbabbildungen und 18 Tabellen , Springer Herausgeber: Dr. Hilde Lemmer Bayerisches Landesamt flir Wasserwirtschaft Institut flir Wasserforschung KaulbachstraBe 37, 80539 Munchen Thomas Griebe InstitUI fUr Siedlungswasserbau, Wassergute-und Abfallwirtschaft Universitiit Stuttgart SandHUe 1, 70S69 Stuttgart prof. Dr. Hans-Curt Flemming Lehrsluhl flir Aquatische Mikrobiologie Universitiit Duisburg LotharstraBe 67, 47057 Duisburg ISBN-13: 978-3-642-64838-0 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Di~ ~utscht Bibliolhek _ C[P-Einheilsaufnahme Okologie der Abwasserorganismen I Hug.: Hilde Lemmer. Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara: Singapur: Tokio: Springer, 1996 150N-[3: 978-3-6-I2-648J8-0 e-JSDN-IJ: 978-3-64Z-6HZJ-[ DOl: 1\I.IOO719711_1-64Z_614H_1 NE: Lemmer, Hilde (HISg.1 Dieses Wetk ist urheberreclulich ge$Chillzt. Die dadurch begrllndelen Rechte. insbesondere die der (}ber· selZllng,des Nachdrucks,dn VOrl rags, der Enlnahme vOn Abbildungen und Tat>c,llen,der Funksendung,der Mikro""f,]mung oder der Vervid~!tigung auf anderen Wegen und d~r Spticherung in Dalenv~rarbeitungs· anlagen. bleiben. auch bei nur auszugsweiser Verwerlung. vorb~hahen. Eine W'vielfliligung dieses Werkes oder von reilen di~"es Werke:s isl auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetuichen Be&timmungen des Urhtbnrechtsg.s~lze. der Bundnrepublik DeuI$Chland yom 9. September 1965 in der jeweils gehenden Fas.ung ~ula ..i g. Sie ist grundsatzlich verglltungspflichlig. Zuwiderhandlungen unltrHegen den Strafbr stimmungen dn Urhet>c,rrechtsgesetus. o Springer-Verlag Berlin Heidelbrrg 1996 Softeo,·er reprint of the hardeo,·er [St edition Die Wiedergabr von Gebrauchsnamen, Handeisnamen, Warenbrui,hnungen 115w. in die~m Werk brrechtigl auch ohnebnondere Kcnnuichnung nicht ~u der Annahme,daB wlche Namen im SinDt derWarenuichen und Mark~nschult·Gesdzgebung als frei tU betrachten wilren und daher von jedermann benUltl werden dlirflen. Einbandge:sta.ltung: MdaDe:sign plus GmbH, Berlin Sail: Fotosatz-Service K<'Ihler OHG. Wiirzburg SPlN: 10493679 213020 - S 4 3 2 I 0 -Gedruckl auf saurefrei~m Papin Die Dinge 5011ten 50 einfach wie moglich gemacht werden, aber nicht einfacher. Albert Einstein Vorwort Was ware die biologische Abwasserreinigung ohne Mikroorganismen? Die Ant wort auf diese Frage ist zweifellos trivial. Nicht trivial ist aber die Antwort auf die Frage nach den Mikroorganismen selbst, die in Anlagen zur biologischen Ab wasserreinigung tatig werden und uns helfen, die Qualitat unserer Grund- und Oberflachengewasser zu verbessern und langfristig auf einem hohen Niveau zu halten. Ober ein Jahrhundert hinweg haben sich Wissenschaftler und Praktiker bemiiht, die Artenzusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften in ihrer Abhangigkeit von den vorherrschenden Milieufaktoren erkennen und ver stehen zu lernen. Erst in jiingster Zeit gelingt uns aber ein vertiefter Einblick in die Welt der Belebtschlammflocken und BiofIlme. Neue Analysentechniken und neue Auswertemethoden haben dazu beigetragen, daB heute mehr Licht in das Dunkel der "black box" eindringen kann. Die Entwicklung der biologischen Abwasserreinigung befindet sich an einer Erkenntnisschwelle. Die Belebtschlammflocke hat ihren Namen deshalb erhalten, weil beim Blick durch das Mikroskop sich auch dem ungeiibten Betrachter ein vielfaltiges und bewegtes Treiben eroffnet. Belebtschlamm lebt. Ober Jahrzehnte hinweg standen die Protozoen und niederen Metazoen im Belebtschlamm und Tropfkorper rasen denn auch im Zentrum des Interesses. Verteilung und Haufigkeit des Vorkommens einzelner Leitorganismen wurden gem essen und in Beziehung zu den ProzeBbedingungen gebracht, unter denen die biologische Abwasser reinigungsanlage betrieben wurde. Daraus entwickelten sich die Empfehlungen und Vorschriften, die bis heute fur den Bau und Betrieb biologischer Klaran lagen maBgebend sind. Mit Verscharfung der Anforderungen an biologische Klaranlagen anderte sich auch die Schwerpunktsetzung. Nitrifikation, Denitrifikation und biolo gische Phosphat-Elimination sind Prozesse, die auf modernen Klaranlagen mit einem hohen Wirkungsgrad ablaufen mussen. 1m Bereich der Industrieab wasserreinigung, der Reinigung von Deponiesickerwassern und kontaminierter Grundwasser kommen Forderungen nach der Elimination spezieller organi scher Verbindungen hinzu. Fiir all diese Aufgaben werden Bakterien und Pilze mit besonderen metabolischen Fahigkeiten gebraucht. Besonders die Bakterien sind in das Zentrum des Interesses der Mikrobiologen und Ingenieure geriickt. Die Hinwendung zu den eigentlichen Tragern der biologischen Abwasserreini gung war ohnehin uberfallig. DaB die hoheren Organism en zur Erhaltung des VIII Vorwort okologischen Gleichgewichts aber dennoch wichtig sind, darf nicht ubersehen werden. Die Okologie der Mikroorganismen, d. h. der Bakterien, Protozoen und niede ren Metazoen, befaBt sich mit den Wechselwirkungen zwischen Organismen arten, Artenbesiedelung und Umweltfaktoren in Anlagen zur biologischen Abwasserreinigung. Klaranlagen konnen nur dann wirkungsvoll konzipiert und betrieben werden, wenn diese Wechselwirkungen bekannt sind. Die Aufgabe des Ingenieurs ist es, die Umweltfaktoren in den Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung zielgerichtet einzustellen. Es muB erreicht werden, daB genau die Organismenarten zum Einsatz kommen, die fUr die je weilige Reinigungsaufgabe gebraucht werden. Aufgabe des Mikrobiologen dabei ist es, die Arten zu identifizieren, die jene Fahigkeiten mitbringen, die fUr die spezielle Reinigungsaufgabe gebraucht werden. Er muB zudem Informationen uber die Milieuanforderungen und Quer beziehungen zwischen verschiedenen Vertretern heterogen zusammengesetzter mikrobieller Lebensgemeinschaften liefern. Die Chancen, die vielfaltigen Vernetzungen innerhalb einer Biozonose ge nauer erkennen und quantifizieren zu konnen, und die Chancen des Informa tionsaustauschs zwischen Ingenieuren und Mikrobiologen sind heute so gut wie nie zuvor. Das hier vorliegende Buch moge dazu beitragen, das wechselseitige Verstandnis fUr die Okologie der Mikroorganismen im Abwasser zu steigern und neue Wege fUr eine effiziente biologische Abwasserreinigung aufzuzeigen. Garching, im Mai 1995 Peter A. Wilderer Lehrstuhl fUr Wassergute und Abfallwirtschaft Technische Universitat Munchen Am Coulombwall, 85748 Garching Inhaltsverzeichnis Abkiirzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XIX Teill Abwasserreinigungsanlagen als aquatisches Biotop 1 Mikrobiologie und Okologie - Was haben sie der Abwassertechnik zu bieten? H.Lemmer 1.1 Mikrobielle Lebensgemeinschaften in Abwasser ..... . 3 1.2 Abwasserreinigung friiher und heute ........... . 4 1.3 Aktuelle Probleme in der biologischen Abwasserreinigung 5 1.3.1 Nitrifikation . .......... . 5 1.3.2 DenitrifIkation . . .... . . . . . 6 1.3.3 Biologische Phosphorelimination 7 1.3.4 Absetzverhalten des Schlammes . 8 1.4 Aktuelle mikrobiologische und okologische Fragestellungen in der biologischen Abwasserreinigung 9 Literatur ...... . ............ . 10 2 Wechselbeziehungen Bakterien-Protozoen. Ein Beitrag zur okosystemaren Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung H. Giide 2.1 Biologische Abwasserreinigung auf vorwiegend empirischen Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Die reduktionistische "black box"-Betrachtungsweise . 14 2.3 Die okosystemare Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Vorkommen der Protozoen ............ . . . 16 2.5 Der direkte Beitrag der Protozoen zur biologischen Abwasserreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6 Wechselbeziehungen innerhalb der Lebensgemeinschaft 18 x Inhaltsverzeichnis 2.7 EinfluB des BakterienfraBes auf bakterielle Stoffumsetzungen 19 2.8 EinfluB der Protozoen auf die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaften ..... . 20 2.9 Beteiligung der Protozoen bei der Flockenbildung 22 2.10 Zusammenfassung und Ausblick 23 Literatur ............. . 24 3 Okologie mikrobieller Biofilme L.-A. Meyer-Reil 3.1 Einfiihrung ........ . . . . 25 3.2 Relevanz mikrobieller Biofilme . 25 3.3 Mikrobielle Besiedlung von Partikeln 27 3.4 Schliisselfunktionen extrazellularer polymerer Substanzen 29 3.5 Mikrobielle Populationen und Prozesse in Biofilmen 30 3.5.1 Struktur mikrobieller Biofilme ...... . 31 3.5.2 Community-Metabolismus ........ . 32 3.5.3 Stratifikation mikrobieller Substratumsatze 34 3.6 Ausblick 37 Literatur ................... . 38 Teilll Den Organismen und Populationsstrukturen abwasserbiirtiger Biozonosen auf der Spur 4 Klassische Methoden zur Charakterisierung von Abwasserbakterien - Grenzen und Moglichkeiten P. Kampfer 4.1 Okologische Aspekte der Abwasserreinigung .......... . 45 4.2 Die Rolle der Taxonomie bei der Bestimmung von Struktur und Funktion mikrobieller Lebensgemeinschaften im Abwasser 47 4.3 Isolation und Kultivierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Klassische Methoden zur Charakterisierung und Identifizierung von Abwasserbakterien ............. . 51 4.4.1 Grundlegende Vorgehensweisen und Verfahren . 51 4.4.2 Numerische Verfahren, kommerziell erhaltliche Identifizierungssysteme . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4.3 Automatisierte Identifizierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien mittels physiologisch-biochemischer Tests 56 4.4.4 Zusammensetzung der isolierbaren Biozonose einer Klaranlage mit biologischer Phosphorelimination . . . . . . . . . . . . . 59 4.4.4.1 Struktur der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Inhaltsverzeichnis XI 4.4.4.2 Funktion der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft mit Bezug auf die biologische Phosphorelimination 61 4.5 Zusammenfassung und Ausblick 65 Literatur ...... .... ... .. . 66 5 Hyphomicrobium spp; im Klarwerk und im abwasserbelasteten Gewasser C. G. Gliesche, P. Hirsch und N. C. Holm 5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Taxonomie ....... .. ..... . 70 5.3 Die Bakteriengattung Hyphomicrobium 71 5.4 Vorkommen und Haufigkeit von Hyphomicrobium spp. im Klarwerk und im Gewasser . 72 5.5 SchluBfolgerungen rur die Praxis 77 Literatur ............. . 78 6 DurchfluBzytometrische Untersuchung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonudeotidsonden G. Wallner und R. Amann 6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.1.1 Identifizierung von Mikroorganismen durch rRNA-gerichtete Hybridisierungssonden 81 6.1.2 DurchfluBzytometrie 83 6.2 Methodik ....... . 85 6.2.1 Probenaufbereitung .. 85 6.2.2 Fluoreszente, in-situ-Hybridisierung und DNA-Fiirbung 85 6.2.3 DurchfluBzytometrische Analyse . . . . . . . . 85 6.3 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.1 Relative Haufigkeit phylogenetischer Gruppen ..... 88 6.3.2 Abschatzung von ZellgroBe, Ribosomen- und DNA-Gehalt 88 6.4 Moglichkeiten und Grenzen der Methode 89 Literatur ........................ . 91 7 Die Anwendung von in-situ-Hybridisierungssonden zur Autklarung von Struktur und Dynamik der mikrobiellen Biozonosen in der Abwasserreinigung M. Wagner und R. Amann 7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 7.2 In-situ-Hybridisierung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonudeotidsonden . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.1 Gruppenspezifische Oligonucleotidsonden ..... 97 7.2.2 Die Rolle von Bakterien der Gattung Acinetobacter bei der erhohten biologischen Phosphorentfernung 100
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