mikroskopie von belebtschlamm, brauchen wir das noch? · thiothrix sp. in belebtschlamm ... fotos:...
Post on 29-Jul-2018
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Inhalt• Abwasserreinigung als biologischer Prozess• Selektion von Abwasserorganismen• Indikator-Organismen der Abwasserreinigung• Grundprinzip und Nutzen der mikroskopischen
Beurteilung von abwasserbürtigen Biozönosen• Möglichkeiten der mikroskopischen Bestimmung
von Indikator-Organismen- Lichtmikroskopie (Phasenkontrast, Hellfeld, Dunkelfeld)- Fluoreszenzmikroskopie (FISH, ELF)
• Nutzen mikroskopischer Untersuchungen -ein Paar Fallbeispiele
• Fazit
Abwasserreinigung im natürlichen Gewässer:Selbstreinigung des Fließgewässers
und Gewässergüte
www.wasserforscher.de
Das Saprobiensystem: Organismen als Verschmutzungsindikator
Abwasserreinigung in einer Kläranlage entspricht der Selbstreinigung eines Gewässers – konzentriert in Raum und Zeit
Mudrack & Kunst 1994
Festbett-Reaktor
Fluss
Fluss
durchmischter Reaktor
Biofilm -Organismen wachsen auf Grenzflächen
Organismen in Suspension, einzeln oder zu Flocken verklebt
Die Organismen, die sich bei der Abwasserreinigung entwickeln, entsprechen denen des Saprobiensystems, d.h. sie zeigen den aktuellen Verschmutzungsgrad an.
Wachstumsrate / Schlamm-AufenthaltszeitDie große Vielfalt an Mikroorganismen in der Abwasserreinigung ermöglicht unterschiedlichste Wachstumsraten, je nach Aufenthaltszeit im System.
SuspensionFlockeBiofilm
Mudrack & Kunst 1988
Durchfluss-Reaktor
Fermenter mit Biomasse-Rückführung
Die Wachstumsrate wiederum beeinflusst den Abbauvon Abwasserinhaltsstoffen, z.B. Nitrifikation, Schadstoffabbau.
Organismenverteilung im Schlamm
niedriges Schlammalter / hohe Schlammbelastung
hohes Schlammalter / niedrige Schlammbelastung
Patterson & Hedley 1992
ccccc
Je höher entwickelt der Organismusist, desto längere Generationszeit, desto höheres Schlammalter ist nötig. Einfach strukturierte Organismen wie Bakterien wachsenschnell. Sie bestehen auch bei niedrigem Schlammalter.
Hoffman & Decho 1999
Hohe SchlammbelastungNahrung in der Wasserphasedirekte Aufnahme in freie Zellen
Niedrige SchlammbelastungNahrung adsorbiert an Schlamm oder PartikelHydrolyse durch Exoenzymeim Biofilm
* Schlammbelastung = kg BSB5/(kg TS * d)
Nahrungszugang für die Organismen
Spezifische Umweltbedingungenermöglichen das Wachstum spezifischer Organismen, die an diese Konditionen angepasst sind, d.h. es entwickeln sich spezifischeorganismische Lebensgemeinschaften = Biozönosen.
Das bedeutet, wenn die bevorzugten Wachstumsbedingungen für einen Organismus bekanntsind, und man diesen Organismus in der Biozönose entdeckt, dann können daraus die in diesem Biotop vorherrschenden Umweltbedingungen abgeleitetwerden. Der Organismus wird zum Zeigerorganismus oder Indikatororganismus.
Selektion von Abwasserorganismen
Selektion von Indikatororganismen
www.environmentalleverage.com; www.micrographia.com
www.asissludge.com
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SubstratScherkräfte
Nitrat
Sauerstoff pH-Wert
Temperatur
Ammonium
Phosphor
Grundprinzip und Nutzen der Mikroskopie von AbwasserorganismenSchon mit einfacherLichtmikroskopie können auffällige Organismen aus abwasserbürtigen Biozönosenganz spezifische Milieu- und Substratbedingungen aufzeigen.
Das hilft bei der Beurteilung� der Abwasserqualität� der Qualität der Betriebsabläufe� von Optionen für eine Anlagenoptimierung
Darüber hinaus unterstützt es die Beurteilung � von Nährstoff-, Sauerstoff-Versorgung� von (aufkommenden) Schlammabsetzproblemen� des Erfolgs der Bekämpfung von Blähschlamm,
Schwimmschlamm und Schaum� eines Einbruchs der Abbauleistung
Möglichkeiten der mikroskopischen Bestimmung von Indikator-Organismen
- Lichtmikroskopie- Fluoreszenzmikroskopie
Vorgehensweise bei der Licht-Mikroskopie
• Untersuchung von Form und Struktur der Schlammflocken• Untersuchung der hauptsächlich auftretenden Einzeller,
z.B. Amöben, Flagellaten, Ciliaten
• Untersuchung der hauptsächlich auftretenden Vielzeller, z.B. Rädertiere, Nematoden Bärtierchen, Bauchhärlinge
• Untersuchung von auffälligen Bakterien und Blaualgen
durch (1) Phasenkontrast-Mikroskopie von Nativpräparaten
durch (2) Dunkelfeld-Mikroskopie von Nativpräparaten
durch (3) Hellfeld-Mikroskopie von Färbepräparaten, gefärbten Organismen wie Algen
Phasenkontrast-Mikroskopie
Microthrix parvicella, ein Fadenbakterium in
BelebtschlammPhasenkontrast, 100-fach
Auffällige Organismen wie fadenförmig wachsende Bakterien sowie Einzeller können damit leicht aufgefunden und identifiziert werden.
www.lfu.bayern.de/analytik_stoffe/fachinformationen/biol_analytik_mikrobielle_oekologie/mikroskopie_techniken/
Achtung:Nicht-auffällige Bakterien wie Kokken oder Stäbchen werden mit dieser Technik nicht unterschieden!
Bild Margit Schade
www.stanford.edu/class/cee274s/photos/microscopy4.jpg
Dunkelfeld-MikroskopieLichtbrechende Strukturen wie eingelagerte Schwefelkügelchen in Schwefelbakteriensind im Dunkelfeld leicht zu erkennen
Thiothrix sp. in BelebtschlammDunkelfeld 100-fach
Hellfeld-Mikroskopiebei Färbetechniken wie Gram und Neisser
wikipedia.org/wiki/GramnegativDie Gram-Färbung differenziert zwischen dicker und dünner Zellwand von Bakterien dick: gram+ = blau; dünn: gram- = rot
Die Neisser-Färbung färbt Körnchen von Polyphosphat und ZellwändeN+ =grau-blau; N- = gelb
Microthrix parvicellain BelebtschlammBilder Margit Schade
Pseudomonas aeruginosa
Hellfeld-Mikroskopiebei gefärbten Organismen wikipedia.org/wiki/Gramnegativ
Phototrophe Organismengewinnen ihre Energie über Licht und nutzen dafür farbstoffhaltige
PurpurbakteriumChromatium okenii
GrünalgeChlamydomonas sp.
Cyanobakterium (Blaualge)Aphanizomenon flos-aquae
Chlorophyll A = grün, GrünalgenPhycobiline = blaugrün, CyanobakterienCarotenoide = orange, Purpurbakterienoder Mischungen hieraus
www.kit.edu/img/pi/2011_107_Angewandte_Lebenswissenschaften_im_Fokus72dpi.jpg
www4.fimr.fi/project/algaline/gallery/gallery.htm
www.plingfactory.de
BurgunderblutalgeOscillatoria rubescens
cdn.fotocommunity.com
Lichtfallen . Deren Farben können nur im Hellfeld unterschieden werden.
Und wie werden einfache Kokken und Stäbchen unterschieden?
www.uni-duisburg.de/.../05chem/0504/050401.jpg
Zur Untersuchungunauffälliger Organismen wie Bakterien sind ausgefeiltere Techniken nötig, z.B. die Fluoreszenz-Mikroskopie zurBestimmung der
���� Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)
���� Enzym-markierten Fluoreszenz (enzyme-labeled fluorescenceELF )
Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)
DNS-Stücke ("Gen-
Sonden")
Hybridisierung
Waschschritt
Martha
Erwin
Herr Unbekannt
Gen-Sonden-Technik
Cartoon Elisabeth Müller & Joachim Czichos
20 µm
B
C
A
Untersuchung nicht-fädigernocardioformer ActinomycetenMNP1-CY3A RaffinerieB Kommunale Anlage (WOR)C Kommunale Anlage (STA)
Fotos: Elisabeth Müller
www.lfu.bayern.de/analytik_stoffe/fachinformationen/biol_analytik_mikrobielle_oekologie/mikroskopie_techniken/
Untersuchung der Enzym-Aktivität in situ
Fädige Actinomyceten mit fluoreszenz-markierter
Enzym-Aktivität
Foto: Margit Schadewww.lfu.bayern.de/analytik_stoffe/fachinformationen/biol_analytik_mikrobielle_oekologie/mikroskopie_techniken/
Enzym-markierte Fluoreszenz (enzyme labeled fluorescenceELF) ermöglicht die mikroskopische Untersuchung von Enzym-Aktivitäten in situ . Die enzymatische Spaltung von fluoreszenz-markiertem Substrat ergibt einen leuchtenden Niederschlag an der Reaktionsstelle.
So wird die Aktivität von Lipasen, Esterasen, Phosphatasen oder Glucuronidasen in der unbeein-flussten Umweltprobe sichtbar gemacht.
Problem einer Belebungsanlage mit Ringlace:Zusammenbruch Nitrifikation, Belebtschlamm orange
Chemisch-physikalische Messungen:Ammonium im Ablauf, Abfall BSB-Abbau
Phasenkontrast-Mikroskopie:Öltropfenwurm Aeolosoma sp. massenhaft
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:Öltropfenwürmer weiden nitrifizierenden Belebtschlammab.Erniedrigung des Schlamm-alters, Animpfen mit Schlamm der Nachbarkläranlage.
www.mikroskopieren.de/bilder/fotos/aeolosoma_variegatum_hemprichi.jpg
Problem einer Belebungsanlage:Schwächelnde Abauleistung
Chemisch-physikalische Messungen:P-Gehalt im Ablauf > 0,5 mg/l
Phasenkontrast-/Hellfeld-Mikroskopie :
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:Phosphor im Ablauf nicht voll bioverfügbar.Vorsichtige Erniedrigung des Fällmittel-Einsatzes zum Erhalt von ortho-P.
Gonin et al. 2000
Fadentyp 0041 untypisch blau in der Neisserfärbung� P-Mangel
Caulobacter sp.mit langen Stielen über 15µm �P-Mangel
www.environmentalleverage.com
Problem einer 2stufigen Belebungsanlage:Geruchsbildung in Stufe 1, O2-Eintrag schlecht
Chemisch-physika-lische Messungen:O2-Gehalt BB niedrig, P-Gehalt extrem niedrig
Phasenkontrast-Mikroskopie:Spirillen/Spirochäten� O2-Mangel
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:Umpumpen stark fällmittel-haltigen Schlamms führt zu P-Fällung am falschen Ort. 021N-Biofilm verstopft Filterkerzen.Aussetzen des Pumpens, Reinigung der Belüfterkerzen.
www.pmbio.icbm.de/mikrobiologischer-garten/pics/mix09.jpg
schleimiger Aufwuchs von Fadentyp 021N auf den
Filterkerzen � P-Mangel
Eikelboom 2000
www.biologieolympiade-hessen.de/page6/page12/page13/files/page13-1036-thumb.jpg
Problem einer Belebungsanlage:Geruchsprobleme, Schlammindex steigt an
Chemisch-physikalische Messungen:O2-Gehalt Belebung 2 mg/l
Phasenkontrast-Mikroskopie:Fädige/nicht-fädige Schwefelbakterien mit Schwefel-Einlagerung � reduzierte Schwefel-Verbindungen, z.B. H2S
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:
Reduzierte S-Verbindungen in faulenden Schlammablagerungen.
Kanalnetz spülen, Aufenthaltszeit VK verkürzen, Belüfter reinigen,
Räumerschild NK auf Schäden untersuchen.
www.asissludge.com
t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQDfWfGt4BCQqFCjsRwsp5o-CHXs2m7A7THLuz95fraxuLbNoLPri1qVII
Problem einer Tierkörper-Verwertungsanlage:Giftstoß erledigt Nitrifikation; Animpfen mit Schlamm der Nachbarkläranlage erfolglos
Chemisch-physikalische Messungen:hohe Ammonium-Werte, keine Nitrifikation
Fluoreszenz-Mikroskopie (FISH):Gensonden zeigen Nitrosomonas- und Nitrobacter-Arten in der TKV, in der Nachbar-KA hingegen Nitrosospira- und Nitrospira-Arten.
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:Die Nitrifikanten der TKV sind völlig andere als die der kommunalen Anlage, die nicht an hohe NH4-Konzentrationen angepasst sind. Erst Animpfen mit Schlamm einer anderen TKV bringt Erfolg.
Nitrosomonas spp. blauNitrospira spp. rot
Nielsen et al. 2010
Problem einer Belebungsanlage:Schwimmschlamm durch Microthrix parvicella, Höhe der Al-Dosierung zur Bekämpfung unklar.
Chemisch-physikalische Messungen: Schlechte
Ablaufwerte wegen Schlammabtriebs
Phasenkontrast-/Hellfeld- + Fluoreszenz-Mikroskopie (ELF):Massenhaft Microthrix vorhanden, Lipase-Aktivität hoch, Al-Dosierung verringert Lipase-Aktivität deutlich.
Ursachenfindung/ Problembeseitigung:Saure Al-Salze behindern die Aufnahme von Fettsäuren durch Microthrix, geeignete Al-Dosierung drängt ihn also zurück. Monitoring der Lipaseaktivität ermöglicht eine Optimierung der Al-Dosierung. Die Faustregel-Konzentration von 3 mg Al/g TS * d kann oft deutlich unterschritten werden.
Bild Margit sSchade
Problem einer Belebungsanlage:Rückläufige AbbauleistungChemisch-physikalische Messungen:BTS 0,2 kg BSB5/kg TS * d
Phasenkontrast-Mikroskopie:Hoch organisierte Organismen wie
Räder-, Bärtiere, Nematoden � Schlammalter > 20d, ≠ t TS, aerob
Ursachenfindung/ Problem-beseitigung: Unterschätzung des wahren Schlammalters wegen nicht berücksichtigter Schlamm-mengen in NK und RS-Leitungen.Erniedrigung TSBB bis zur gewünschten BTS. www.environmentalleverage.com
Problem einer Belebungsanlage der Papierindustrie:ISV > 300 ml/g, Schlammabtrieb NK schleimig
Chemisch-physikalische Messungen:CSBAblauf filtriert ok, unfiltriert hoch wegen Schlammabtriebs, BSB:N:P-Verhältnis zeigt N-Mangel an.
t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQYHZP9TTRSe290GT4N0482-3RFvrCUcIlv1UZCyFpmEEfyMCVaKDj0taw
Ursachenfindung/Problembeseitigung:Hochlast-Fäden des Typs 021N führen zu schleimigem Blähschlamm. Zunächst Abhilfe durch N/P-Gabe, mittelfristig Einführung eines aeroben Selektors.
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Phasenkontrast-Mikroskopie:Starke Fädigkeit mit Fadentyp 021N, daneben auch Sphaerotilus natans �
Hochlast sowie Nährstoffmangel bzw. Kohlenstoff-Überschuss
Fazit
Mit einfacherLichtmikroskopie können auffällige Organismen aus abwasserbürtigen Biozönosenganz spezifische Milieu- und Substratbedingungen aufzeigen.
Das hilft bei der Beurteilung� der Qualität von Abwasser und Betrieb� der Nährstoff- und Sauerstoff-Versorgung� von (aufkommenden) Schlammabsetzproblemen� eines Einbruchs der Abbauleistung
Die Mikroskopie liefert schnell und kostengünstig redundante Hinweise zur Betriebsoptimierung und effizienten Problembekämpfung.
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