Table Of ContentOkologie der Abwasserorganismen
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
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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
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o Springer-Verlag Berlin Heidelbrrg 1996
Softeo,·er reprint of the hardeo,·er [St edition
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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
