In situ-Enzymaktivitäten fadenbildender Bakterien aus Kläranlagen mit Schaumproblemen

Hintergrund

Niedrig belastete Belebungsanlagen neigen häufig zur Bildung von stabilen viskosen Schäumen mit einem massenhaften Vorkommen fadenbildender Bakterien. Aufgrund der niedrigen Belastung ist die Konzentration an gelösten organischen Substanzen in der Wasserphase nur sehr gering und die Bakterien sind auf partikuläres oder an Oberflächen (wie Belebtschlammflocken) adsorbiertes Substrat angewiesen. Daher spielt in diesen Anlagen der Abbau von partikulärem hochmolekularem Substrat eine große Rolle. Enzymaktivitäten, die eine Spaltung hochmolekularer Verbindungen ermöglichen, stellen einen Selektionsvorteil für Belebtschlammbakterien dar und sind Grundlage für eine erfolgreiche Konkurrenz.

Untersuchungen

Bisher konnten bei Fragestellungen zur Aktivität relevanter Enzyme nur Aussagen über deren Gesamtaktivität in einer Bakteriengemeinschaft getroffen werden. Von großem Interesse sind aber auch direkte Zuordnungen von Enzymaktivitäten zu bestimmten Bakteriengruppen.

Enzymaktivität von Fadenbakterien in einem Belebtschlamm (linkes Bild: Belebtschlamm; mittleres Bild: fluoreszierende Enzymaktivität; rechtes Bild: Kombination von Belebtschlamm und Enzymaktivität) Bild vergrößern Enzymaktivität von Fadenbakterien in einem Belebtschlamm (linkes Bild: Belebtschlamm; mittleres Bild: fluoreszierende Enzymaktivität; rechtes Bild: Kombination von Belebtschlamm und Enzymaktivität)
Dies ist mittlerweile durch den Einsatz einer Fluoreszenztechnik möglich (enzyme labeled fluorescence; ELF), die eine Beobachtung von Enzymaktivitäten in situ, d. h. direkt in der unbeeinflussten Probe erlaubt. Untersucht wurden Enzymaktivitäten (Esterasen, Lipasen, Phosphatasen, β-Glucuronidasen) fadenbildender Bakterien, die bei Schaumereignissen auftreten, um deren Potential beim Abbau von partikulärem und hochmolekularem Substrat abzuschätzen.

Aktueller Kenntnisstand

  • Microthrix parvicella wies in situ Aktivitäten für alle untersuchten Enzyme auf, die Lipase-Aktivität lag am höchsten. Die Aktivitäten waren im Belebtschlamm im Vergleich zum Schaum deutlich erhöht. Das Wachstum von M. parvicella findet also vermutlich vorwiegend im Belebtschlamm statt, sodass sich Bekämpfungsmaßnahmen auf diese Schlammfraktion richten sollten.
  • Beim Monitoring der Lipase-Aktivität von M. parvicella während des Einsatzes von AlCl3 als Bekämpfungsmaßnahme fand die neue in situ Technik eine praktische Anwendung. In einer halbtechnischen Versuchsanlage wurde ein starker Rückgang der Lipase-Aktivität von M. parvicella nach Dosierung von AlCl3 beobachtet. Nach Beendigung der Dosierung stieg die Aktivität wieder an, d. h. die Wirkung von AlCl3 war auf seinen Einsatzzeitraum beschränkt.
  • Verschiedene Arten nocardioformer Actinomyceten unterschieden sich anhand ihrer Aktivitätsmuster. Rhodokokken zeigten deutliche Phosphatase-, Esterase- und β-Glucuronidase- sowie mäßige Lipase-Aktivitäten, dagegen wiesen Dietzien keine Aktivitäten auf. Da im Schaum die Zahl Enzym-aktiver Actinomyceten deutlich höher lag als im Belebtschlamm, finden sie vermutlich in der Schaumschicht gute Wachstumsbedingungen und tragen so zur Schaumbildung auf der Wasseroberfläche bei. Daher sollten Gegenmaßnahmen dort ansetzen.
  • Hinter dem Morphotyp Nostocoida limicola verbirgt sich eine Reihe verschiedener Bakterien, die nicht miteinander verwandt sind. Einige von ihnen zeigten geringe bis mäßige Phosphatase-, Esterase- und
    β-Glucuronidase-, jedoch keine Lipase-Aktivität.
  • Bakterien der Typen 0041/0675, 1851 und 0092 erwiesen sich ebenfalls als Phosphatase-, Esterase- und β-Glucuronidase-positiv, aber Lipase-negativ. Damit weisen diese Fadenbildner einige Gemeinsamkeiten auf. Die Aktivitätsmuster stimmen mit deren Auftreten bei Niedriglastbedingungen überein, die Organismen bevorzugen, die in der Lage sind, hochmolekulares Substrat zu hydrolysieren. Im Gegensatz zu M. parvicella und nocardioformen Actinomyceten erfolgt jedoch anscheinend keine Hydrolyse langkettiger Fettsäuren durch Lipasen. Deshalb lassen sich diese Morphotypen auch nicht durch Vermeidung des Eintrags lipophiler Stoffe eindämmen.

Veröffentlichungen

  • Schade, M. (2007). Physiologische Untersuchungen mit in situ Enzymaktivitäten fadenbildender Bakterien in Kläranlagen mit Schaumproblemen. Dissertation Technische Universität München
  • Schade, M., Lemmer, H. (2007). Enzymaktivitäten von Fadenbakterien – Möglichkeiten der klassischen in vitro Messung und der in situ ELF-Technik. Schriftenreihe der Universität der Bundeswehr, im Druck
  • Schade, M., Lemmer, H. (2006). In situ enzyme activities of filamentous scum bacteria in municipal activated sludge wastewater treatment plants. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 34, 480-490
  • Schade, M., Lemmer, H. (2005). Lipase activities in activated sludge and scum – comparison of new and conventional techniques. Acta Hydrochim. Hydrobiol., 33 (3), 210-215
  • Schade, M., Lemmer, H. (2005). Schaumbekämpfung in Belebungsanlagen: Monitoring der Lipase-Aktivität zur Erfolgskontrolle. Korr. Abw. 52 (5), 572-578

Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines Projektes durchgeführt. Wir danken dem Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit (StMUV) für die finanzielle Unterstützung.