Bakterien und extrazelluläre polymere Substanzen in Schaum auf Belebungsanlagen

Hintergrund

Zur Aufklärung der Bildung zäher viskoser Schäume auf nährstoffeliminierenden Belebungsanlagen wurden am LfU Untersuchungen durchgeführt, welche Bakterien hier eine Rolle spielen und wie sich die Kittsubstanz (extrazelluläre polymere Substanzen, EPS) in den Belebtschlammflocken auf die Schaumentwicklung auswirken.

Untersuchungen

Mit Hilfe der klassischen mikroskopischen Schlammanalyse sowie molekularbiologischen Methoden wurden relevante Schaum-Bakterien, die an der Bildung der Schäume beteiligt sind, taxonomisch charakterisiert. Diese Kenntnis gibt Hinweise auf ihre physiologischen Eigenschaften, was wiederum für biologisch begründete Bekämpfungsmaßnahmen unerlässlich ist. Weiter wurde ermittelt, ob Schaumbildung nach passiver Flotation oder infolge von aktivem Wachstum der Biomasse des aufschwimmenden Belebtschlamms erfolgt.

Stäbchenförmige Actinomyceten im Schaum Bild vergrößern Stäbchenförmige Actinomyceten im Schaum
Außerdem wurde die Rolle der EPS, die sowohl als Nährstoffquelle für Schaumbakterien dienen als auch aufgrund physikalisch-chemischer Eigenschaften als Schaumstabilisator wirken können, untersucht.

Aktueller Kenntnistand

  • Beim Screening der Belebtschlämme verschiedener Kläranlagen mit Schaumereignissen erwies sich Microthrix parvicella sowohl im Belebtschlamm als auch in der die Schaumfraktion dominierend. Zweitwichtigste Schaum-relevante Bakteriengruppe waren nocardioforme Actinomyceten. Typ 1863 war oft im Schaum angereichert, aber nie dominant im Schlamm. Die Morphotypen 1851, 0041/0675, 0092 und Nostocoida limicola wurden nur selten als dominant in Belebtschlamm gefunden, sie traten aber oft zusammen mit M.parvicella und Actinomyceten auf.
  • Zur Einschränkung von Fehlern bei Identifikation und Auffindungsrate wurde die klassische Schlammanalyse mit dem Einsatz von Gensonden mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) verglichen. Es zeigte sich, dass morphologisch auffällige Organismen auch mikroskopisch erfasst werden können, Einzelzellen werden leicht übersehen. FISH kann problematisch sein, wenn die Sondenqualität oder die Zellwandpermeabilität schlecht ist.
  • Nocardioforme Actinomyceten erwiesen sich als wichtige Schaumbildner. Die taxonomische Identifizierung auf Gattungs- und Artebene war allerdings z.T. aufgrund des Fehlens geeigneter Gensonden nicht möglich. Hier wurden über den full-cycle rRNA-Ansatz in Kombination mit verschiedenen molekularbiologischen Methoden neue Gensonden entwickelt. Die Anwendung dieser Sonden für Dietzia sp. und verschiedene Rhodokokken erbrachte den Nachweis für deren häufiges Auftreten in Schaumanlagen.
  • Zur Aufklärung der Wachstumsstrategien von Schaumbakterien wurde deren Aktivität mit schaumrelevanten physikochemischen Eigenschaften der EPS wie Hydrophobie und Gehalt an lipophilen Stoffen verglichen. M. parvicella-dominierte Schlämme zeigen hohe Stoffwechselaktivität im Schlamm und werden offensichtlich passiv an die Oberfläche verfrachtet, wo sie weit weniger aktiv sind. Im Gegensatz dazu sind Actinomyceten im Belebtschlamm weniger aktiv als den zugehörigen Schaumfraktionen, in denen sich diese Organismen offensichtlich durch Nutzung lipophiler Stoffe in der EPS weiter vermehren.
  • Für den Praktiker ergibt sich, die Schaumbekämpfung bei M. parvicella-dominierten Problemen an der Belebtschlammphase anzugehen, Actinomyceten-dominierte Schäume sind von der Oberfläche her zu bekämpfen. Aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsbedingungen sollte einer Bekämpfung von Actinomyceten eine genaue Identifizierung der Bakterien vorausgehen.
Rhodokokken im SchaumBild vergrößern Rhodokokken im Schaum

Veröffentlichungen zum Thema:

  • Müller; E., Schade, M., Lemmer, H. (2007): Filamentous scum bacteria in activated sludge plants: detection and identification quality by conventional sludge microscopy vs. fluorescence in situ hybridisation. Water Environ. Research, im Druck
  • Müller, E., Lemmer, H. (2007). Identifizierung von Fadenorganismen: klassische Mikroskopie oder Einsatz von Gensonden? Schriftenreihe der Universität der Bundeswehr München, im Druck
  • Müller, E. (2006). Bacteria and extracellular polymeric substances in activated sludge scum formation. Dissertation Technische Universität München
  • Müller, E., Lind, G. Lemmer, H., Wilderer, P.A. (2005). Population structure and chemical analyses of activated sludge and scum. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 33 (3), 189-196

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