Ökologie der Abwasserorganismen

I Abwasserreinigungsanlagen als aquatisches Biotop.- 1 Mikrobiologie und Ökologie — Was haben sie der Abwassertechnik zu bieten?.- 1.1 Mikrobielle Lebensgemeinschaften in Abwasser.- 1.2 Abwasserreinigung früher und heute.- 1.3 Aktuelle Probleme in der biologischen Abwasserreinigung.- 1.3.1 Nitrifikation.- 1.3.2 Denitrifikation.- 1.3.3 Biologische Phosphorelimination.- 1.3.4 Absetzverhalten des Schlammes.- 1.4 Aktuelle mikrobiologische und ökologische Fragestellungen in der biologischen Abwasserreinigung.- Literatur.- 2 Wechselbeziehungen Bakterien-Protozoen. Ein Beitrag zur ökosystemaren Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung.- 2.1 Biologische Abwasserreinigung auf vorwiegend empirischen Grundlagen.- 2.2 Die reduktionistische „black box“-Betrachtungsweise.- 2.3 Die ökosystemare Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung.- 2.4 Vorkommen der Protozoen.- 2.5 Der direkte Beitrag der Protozoen zur biologischen Abwasserreinigung.- 2.6 Wechselbeziehungen innerhalb der Lebensgemeinschaft.- 2.7 Einfluß des Bakterienfraßes auf bakterielle Stoffumsetzungen.- 2.8 Einfluß der Protozoen auf die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaften.- 2.9 Beteiligung der Protozoen bei der Flockenbildung.- 2.10 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 3 Ökologie mikrobieller Biofilme.- 3.1 Einführung.- 3.2 Relevanz mikrobieller Biofilme.- 3.3 Mikrobielle Besiedlung von Partikeln.- 3.4 Schlüsselfunktionen extrazellulärer polymerer Substanzen.- 3.5 Mikrobielle Populationen und Prozesse in Biofilmen.- 3.5.1 Struktur mikrobieller Biofilme.- 3.5.2 Community-Metabolismus.- 3.5.3 Stratifikation mikrobieller Substratumsätze.- 3.6 Ausblick.- Literatur.- II Den Organismen und Populationsstrukturen abwasserbürtiger Biozönosen auf der Spur.- 4 Klassische Methoden zur Charakterisierung von Abwasserbakterien — Grenzen und Möglichkeiten.- 4.1 Ökologische Aspekte der Abwasserreinigung.- 4.2 Die Rolle der Taxonomie bei der Bestimmung von Struktur und Funktion mikrobieller Lebensgemeinschaften im Abwasser.- 4.3 Isolation und Kultivierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien.- 4.4 Klassische Methoden zur Charakterisierung und Identifizierung von Abwasserbakterien.- 4.4.1 Grundlegende Vorgehensweisen und Verfahren.- 4.4.2 Numerische Verfahren, kommerziell erhältliche Identifizierungssysteme.- 4.4.3 Automatisierte Identifizierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien mittels physiologisch-biochemischer Tests.- 4.4.4 Zusammensetzung der isolierbaren Biozönose einer Kläranlage mit biologischer Phosphorelimination.- 4.4.4.1 Struktur der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft.- 4.4.4.2 Funktion der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft mit Bezug auf die biologische Phosphorelimination.- 4.5 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 5 Hyphomicrobium spp; im Klärwerk und im abwasserbelasteten Gewässer.- 5.1 Einleitung.- 5.2 Taxonomie.- 5.3 Die Bakteriengattung Hyphomicrobium.- 5.4 Vorkommen und Häufigkeit von Hyphomicrobium spp. im Klärwerk und im Gewässer.- 5.5 Schlußfolgerungen für die Praxis.- Literatur.- 6 Durchflußzytometrische Untersuchung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonucleotidsonden.- 6.1 Einleitung.- 6.1.1 Identifizierung von Mikroorganismen durch rRNA-gerichtete Hybridisierungssonden.- 6.1.2 Durchflußzytometrie.- 6.2 Methodik.- 6.2.1 Probenaufbereitung.- 6.2.2 Fluoreszente, in-situ-Hybridisierung und DNA-Färbung.- 6.2.3 Durchflußzytometrische Analyse.- 6.3 Anwendungsbeispiel.- 6.3.1 Relative Häufigkeit phylogenetischer Gruppen.- 6.3.2 Abschätzung von Zellgröße, Ribosomen-und DNA-Gehalt.- 6.4 Möglichkeiten und Grenzen der Methode.- Literatur.- 7 Die Anwendung von in-situ-Hybridisierungssonden zur Aufklärung von Struktur und Dynamik der mikrobiellen Biozönosen in der Abwasserreinigung.- 7.1 Einleitung.- 7.2 In-situ-Hybridisierung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonucleotidsonden.- 7.2.1 Gruppenspezifische Oligonucleotidsonden.- 7.2.2 Die Rolle von Bakterien der Gattung Acinetobacter bei der erhöhten biologischen Phosphorentfernung.- 7.2.3 In-situ-Nachweis Gram-negativer fadenförmiger Bakterien.- 7.3 Konfokale Laserscanning-Mikroskopie.- 7.4 Ausblick.- Literatur.- 8 PCR-Fingerprint-Verfahren zur Analyse von Mikroorganismen-Populationen.- 8.1 Einleitung.- 8.2 DNA-Fingerprinting für die Identifizierung und Typisierung von Organismen.- 8.2.1 RFLP-Verfahren.- 8.2.2 PCR-RFLP-Verfahren.- 8.2.3 Restriktionsanalyse amplifizierter rDNA (ARDRA).- 8.2.4 Computergestützte ARDRA-Analyse.- 8.2.5 Typisierung von Mikroorganismen durch Analyse von random amplified polymorphic DNA (RAPD) Markern.- Literatur.- 9 Reaktionstechnische Untersuchungen zur konjugativen Übertragung des TOL-Plasmids pWWO in Suspension und im Biofilm.- 9.1 Einleitung.- 9.2 Plasmide und Konjugation in Kläranlagen.- 9.2.1 Mechanistische Beschreibung der Konjugation.- 9.2.2 Reaktionskinetischer Ansatz zur Beschreibung der konjugativen Plasmidübertragung.- 9.3 Reaktionstechnische Untersuchungen zur Übertragung des TOL-Plasmids.- 9.3.1 Modellsystem.- 9.3.2 Konjugation zwischen suspendierten Kreuzungspartnern.- 9.3.3 Konjugation bei immobilisierten Kreuzungspartnern.- 9.4 Zusammenfassung.- Literatur.- 10 Viren in der Abwasserbehandlung.- 10.1 Einleitung.- 10.2 Struktur und Biologie von Viren.- 10.2.1 Aufbau und Eigenschaften von Viren.- 10.2.2 Erfassung von Viren.- 10.2.2.1 Keimzahlmethoden.- 10.2.2.2 Transmissionselektronenmikroskopie.- 10.2.2.3 Epifluoreszenzmikroskopie.- 10.2.3 Phagenökologie.- 10.3 Viren in der Kläranlage.- 10.3.1 Pathogene Viren im Abwasser.- 10.3.2 Viren als Indikatoren.- 10.3.2.1 Phagen als Fäkalindikatoren.- 10.3.2.2 Viren als Indikatoren in Kläranlagen.- 10.3.3 Entfernung von Viren im Abwasser.- 10.4 Ausblick.- Literatur.- III Aktivitäten der Mikroorganismen des Abwassers.- 11 Bestimmung der stoffwechselaktiven Bakterien im Belebtschlamm.- 11.1 Einleitung.- 11.2 Material und Methoden.- 11.2.1 Bestimmung der Stoffwechselaktivität auf zellulärer Ebene.- 11.2.2 Bestimmung der Gesamt-Stoffwechselaktivität.- 11.3 Ergebnisse und Diskussion.- 11.3.1 Mikroskopische Quantifizierung von stoffwechselaktiven Belebtschlamm-Bakterien.- 11.3.2 Einfluß der CTC-Konzentration.- 11.3.3 Einfluß der Inkubationszeit.- 11.3.4 Einfluß von Nährstoffzugabe und Sauerstoff auf die CTC- Reduktion in Belebtschlamm.- 11.3.5 Einfluß der Probenlagerung auf die CTC-Reduktion in Belebtschlamm.- 11.4 Schlußfolgerungen.- Literatur.- 12 Die Bedeutung von Biofilmen und Flocken für die Nitrifikation in aquatischen Biotopen.- 12.1 Einleitung.- 12.2 Der Nitrifikationsprozeß und die beteiligten Organismen.- 12.3 Analyse nitrifizierender Bakterienpopulationen an natürlichen Standorten.- 12.4 Entstehung und Besiedlung von Biofilmen und Flocken.- 12.5 Ökophysiologische Aspekte der Nitrifikation in Biofilmen bzw. Flocken.- 12.6 Aufbau stabiler Populationen nitrifizierender Bakterien in aquatischen Biotopen.- 12.7 Perspektiven der in situ-Untersuchungen des Nitrifikationsprozesses.- Literatur.- 13 Neue Wege vom Ammonium zum Stickstoff.- 13.1 Einleitung.- 13.2 Anaerobe Denitrifikation von Nitrosomonas.- 13.2.1 Ammonium als Elektronendonator.- 13.2.2 Hydroxylamin als Elektronendonator.- 13.2.3 Organische Substanzen als Elektronendonatoren.- 13.2.4 Molekularer Wasserstoff als Elektronendonator.- 13.3 Denitrifikation von Nitrosomonas unter Sauerstofflimitierung.- 13.3.1 Nitrosomonas-Reinkulturen.- 13.3.2 Mischkulturen von Nitrosomonas und verschiedenen chemoorganotrophen Bakterien.- 13.4 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 14 Lachgas (N2O)-Freisetzung aus Belebungsbecken von Kläranlagen in Abhängigkeit von den Abwassereigenschaften.- 14.1 Einleitung.- 14.2 N2O-Quellen und -Senken in Gewässern.- 14.2.1 Nitrifikation.- 14.2.2 Denitrifikation.- 14.2.3 Nitratammonifikation.- 14.3 N2O-Emissionen aus aquatischen und terrestrischen Ökosystemen.- 14.4 In-situ-N2O-Freisetzung aus dem Belebungsbecken der Kläranlage Gießen.- 14.5 Diskussion.- Literatur.- 15 Stoffumsetzungen und Bakterienpopulationen in belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.1 Einleitung.- 15.2 Bau und Betrieb von belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.3 Eliminierung der C-Verbindungen.- 15.3.1 Populationsdichte und Aktivität der heterotrophen Bakterienflora.- 15.4 Notwendigkeit der Stickstoffreduzierung hinsichtlich des Gewässerschutzes.- 15.4.1 Stickstoffemissionen bei belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.4.2 N-Dynamik in den Reinigungsstufen.- 15.5 Schlußbemerkung.- Literatur.- 16 Polyphosphatspeichernde Bakterien und weitergehende biologische Phosphorentfernung in Kläranlagen.- 16.1 Einleitung.- 16.2 Phosphoraufnahme durch Mikroorganismen.- 16.3 Phosphoraufnahme durch Belebtschlamm in Kläranlagen.- 16.3.1 Aerobe P-Aufnahme und anaerobe P-Rückführung durch Belebtschlamm.- 16.3.1.1 Substratabhängigkeit der aeroben Phosphataufnahme.- 16.3.1.2 Anaerobe Phosphatrücklösung und Speicherung von Lipiden.- 16.3.1.3 Aerobe Polysaccharidspeicherung.- 16.3.1.4 Abhängigkeit der Phosphorentfernung von der Phosphatkonzentration.- 16.3.2 Hemmung der Phosphatrücklösung durch Nitrat.- 16.3.3 Modellvorstellungen zum P-Stoffwechsel im Belebtschlamm.- 16.4 Polyphosphatspeichernde Belebtschlammbakterien.- 16.4.1 Modellbakterium Acinetobacter.- 16.4.1.1 Polyphosphatspeicherung und Polyphosphatverwertung durch Acinetobacter.- 16.4.1.2 Energiegehalt der Zellen und Polyphosphatspeicherung.- 16.4.1.3 Organische Reservestoffe.- 16.4.2 Spektrum polyphosphatspeichernder Bakterien im Belebtschlamm.- 16.4.3 Syntropher Stoffwechsel im Belebtschlamm.- 16.5 Schlußbetrachtung.- Literatur.- IV Physikalische Probleme durch Abwasserbakterien.- 17 Ursachen und Bekämpfung von Blähschlamm.- 17.1 Einführung.- 17.2 Fadenförmige Mikroorganismen im Belebtschlamm.- 17.3 Wachstumskinetik von Belebtschlammbakterien.- 17.4 Ursachen für die Bildung von Blähschlamm.- 17.4.1 Abwasserbeschaffenheit.- 17.4.2 Betriebs- und Verfahrensweise.- 17.5 Maßnahmen zur Bekämpfung von Blähschlamm.- 17.6 Ausblick.- Literatur.- 18 Biologische Ursachen von Schaum und Schwimmschlamm in Belebungsanlagen sowie mögliche Gegenmaßnahmen.- 18.1 Einführung.- 18.2 Definition von „Schaum und Schwimmschlamm“.- 18.3 Fadenförmige Bakterien in schäumendem Belebtschlamm.- 18.3.1 Biologie schaumbildender Actinomeceten.- 18.3.2 Biologie von Microthrix parvicella.- 18.3.3 Weitere fadenförmige Bakterien in schäumendem Belebtschlamm.- 18.4 Wachstumsstrategien von Mikroorganismen in nährstoffarmer Umgebung als Schlüssel zum Verständnis der Flotations-problematik.- 18.5 Maßnahmen zur Bekämpfung von Flotationsproblemen.- Literatur.- 19 Schaum in Faulbehältern.- 19.1 Entwicklung und Beschreibung der Situation in der Abwasserpraxis.- 19.2 Zusammenhänge zwischen Schaumbildung auf den Belebungsbecken und schäumenden Faulbehältern6.- 19.3 Verfahrenstechnisch bedingte Selektion von M. parvicella unter besonderer Berücksichtigung der Qualität indirekt eingeleiteter Abwässer.- 19.4 Typische Mischpopulation fädiger Mikroorganismen in Kläranlagen mit weitgehender Abwasserreinigung.- 19.5 Ausblick.- 19.6 Zusammenfassung.- Literatur.- Nachwort.