Protozoen in biologischen Kläranlagen - Einfluss auf die Entwicklung und Funktion von Granula zur Nährstoffreduktion in Abwässern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen zweier Diplomarbeiten, einer Bachelorarbeit und einer Dissertation wurden in 4 verschiedenen Versuchsreihen mit Labscale-SBR-Reaktoren (beschickt mit Molkerei-, Mälzerei-, Brauereiabwasser, sowie synthetischem Abwasser) zum ersten Mal Entwicklung und Aufbau von aeroben Belebtschlammgranula unter der Beteiligung von Protozoen, Bakterien und Pilzen mikroskopisch (Epifluoreszenz-, Rasterelektronen-, Laserraster-, Lichtmikroskopie) und molekularbiologisch (FISH, DNS-Isolierung, PCR-Analyse, Sequenzierung, Stammbaumanalyse) untersucht und beschrieben. Sämtliche Ciliaten- und Bakteriengruppen aus allen Reaktorproben wurden mittels Lichtmikroskopie, FISH und Sequenzierung identifiziert. Verschiedene Pilztaxa konnten mittels Sequenzierung bestimmt werden. Die Granulaentwicklung ließ sich allgemein in drei Phasen einteilen: 1. Entstehung von Belebtschlammflocken und Besiedlung durch peritriche Ciliaten 2. Verdichtung dieser Flocken durch Bakterienzuwuchs und sukzessive Besiedlung durch Ciliatenkolonien in großer Anzahl 3. Entstehung kompakter Granula mit unterschiedlich starker Besiedelung durch peritriche Ciliaten. Teilweise konnte eine Beteiligung von Pilzen am strukturellen Aufbau der Granula beobachtet werden. Ein Granulum der Phase 3 besteht stets aus einer Kernzone (Medulla) und einer Randzone (Cortex). Bei den Versuchen mit den ersten drei Reaktoren konnten Abundanzlisten der mikroskopisch beobachteten Protozoen erstellt werden, die stets eine Dominanz einzelner peritricher Ciliatenarten ab Phase 2 der Granulabildung zeigen. Es wurden kontinuierlich Ciliaten aus den vier Reaktorversuchen isoliert, kultiviert und zur Konstruktion von 18S rDNS-gerichteten Oligonukleotidsonden sequenziert. Dabei konnten insgesamt drei neue Sonden für Abwasserciliaten konstruiert und an Kulturorganismen erfolgreich getestet werden. Zusätzlich wurden in Zusammenarbeit mit Prof. Wilhelm Foissner (Universität Salzburg) und Frau Stephanie Schmidt (Universität Leipzig) und deren Mitarbeitern Sequenzdaten von weiteren Ciliatenarten zur Erweiterung des 18S rDNS-Datensatzes bestimmt und sieben neue Sonden für diese Organismen konstruiert und getestet. Es konnte ein Protokoll für die Präparation von Granuladünnschnitten erstellt werden, das die Durchführung einer FISH zur Identifizierung von Ciliaten-Bakterien-Assoziationen in den Schnitten ermöglicht. Umfassende Hybridisierungen mit allgemeinen, klassen- und gattungsspezifischen 18S-rRNS- und 16S-rRNS-gerichteten Oligonukleotidsonden für Eukaryoten und Prokaryoten wurden erfolgreich durchgeführt. Zur Identifikation von Pilzen in Granula wurde DNS isoliert, amplifiziert und sequenziert (18S rDNS, 5,8S rDNS ITS1, ITS2). Die Sequenzen konnten mittels phylogenetischer Analyse unter Verwendung des ARB-Softwarepaketes sieben verschiedenen Pilztaxa zugeordnet werden. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe Delgado/Hartmann vom Lehrstuhl für Fluidmechanik und Prozesstechnik (TU Weihenstephan) konnten Erkenntnisse über die Strömungsmuster des Abwasserorganismus Opercularia assymetrica bei der Nahrungsaufnahme gewonnen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 23. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 03.-06.03.2004, Innsbruck, Österreich: Johannes Fried, Katharina Wulff, Wolfgang Ludwig und Karl Heinz Schleifer, Epistylis, Opercularia und Carchesium ¿ Phylogenie peritricher Ciliaten basierend auf 18S-rDNS Sequenzanalysen
- 24. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 02.-05.03.2005, Burg Lichtenberg, Pfalz: Johannes Fried, Genospecies Versus Morphospecies: Highlights and Pitfalls of Fluorescence In Situ Hybridisation (FISH) with Protists
- 24. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 02.-05.03.2005, Burg Lichtenberg, Pfalz: Johannes Fried, Katharina Wulff and Norbert Schwarzenbeck Wastewater Treatment - Contribution of Ciliates to the Development and Structure of Aerobic Activated Sludge Granules
- 24. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 02.-05.03.2005, Burg Lichtenberg, Pfalz: S.L. Schmidt, D. Bernhard, M. Schlegel, D. Ammermann and J. Fried Distinguishing the sibling species Stylonychia lemnae and Stylonychia mytilus (Spirotrichea, Ciliophora) by fluorescence in situ hybridization
- 25. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 08.-11.03.2006, Liebenwalde bei Berlin: Hartmann C., Özmutlu Ö., Petermaier H.,Fried J., and Delgado A. Analysis of the Flow Field Induced by the Sessile Ciliate Opercularia asymmetrica (Oligohymenophorea, Peritrichia)
- 25. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 08.-11.03.2006, Liebenwalde bei Berlin: Weber S., Sschwarzenbeck N., Ludwig W. and Fried J. A new protocol to analyse Protozoa and Bacteria in aerobic activated sludge granules by using FISH
- 4th ASM Conference on Biofilms, 25.-29.03.2007, Quebec City, Quebec, Canada (ASM, American Society for Microbiology) Silvia Weber, Andreas Hofmann, Wolfgang Ludwig, Karl Heinz Schleifer and Johannes Fried A polyphasic approach to analyze the microbial composition and structure of granular biofilms with molecular and microscopic techniques
- 4th IWA Activated Sludge Population Dynamics Specialist Conference ¿Microbial Population Dynamics in Biological Wastewater Treatment, 17¿20 July 2005, Golden Coast, Queensland, Australia: Johannes Fried, Katharina Wulff1, Silvia Weber, Gerhard Wanner, Norbert Schwarzenbeck, and Karl Heinz Schleifer, Contribution of Ciliates to the Development and Structure of Aerobic Activated Sludge Granules
- ICOP XII International Congress of Protozoology, July 10-15, 2005, Guangzhou, China Johannes Fried, Differentiation of Ciliate Morphospecies Using Fluorescence In Situ Hybridisation (FISH) ¿ Examples From Free-Living to Rumen Ciliates
- ICOP XII International Congress of Protozoology, July 10-15, 2005, Guangzhou, China Johannes Fried, Katharina Wulff, Silvia Weber, Gerhard Wanner, Norbert Schwarzenbeck, and Karl Heinz Schleifer, Contribution of Ciliates to the Development and Structure of Aerobic Activated Sludge Granules
- International Workshop - Development and control of functional biodiversity at micro- and macro-scales 05.- 07.10.2005, GSF, München: Fried Johannes, Katharina Wulff, Silvia Weber, Gerhard Wanner, Norbert Schwarzenbeck, and Karl Heinz Schleifer Contribution of Ciliates to the Development and Structure of Aerobic Activated Sludge Granules
- Munich Environmental Microbiology Meeting 2005 (MEM 2005), 29.1..2005, GSF, München Johannes Fried, Silvia Weber, Andreas Hofmann, Marko Pavlekovic, Wolfgang Ludwig, and Karl
- Munich Environmental Microbiology Meeting 2005 (MEM 2005), 29.1..2005, GSF, München Johannes Fried, Silvia Weber, Andreas Hofmann, Wolfgang Ludwig, and Karl Heinz Schleifer, Wastewater Treatment ¿ Protists in Action
- SIL-Austria Treffen, 22.-24.10.2006, Innsbruck, Austria (SIL, Societas Internationalis Limnologiae) Fried Johannes, Weber Silvia, and Hofmann Andreas Composition and Architecture of Granular Wastewater Biofilms Affected by Ciliated Protozoa and Fungi
- Weber S., Wanner G., Hofmnn A., Ludwig W. and Fried J. 25. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Protozoologie, 08.-11.03.2006, Liebenwalde bei Berlin: Microscopic investigations on the structure and composition of aerobic activated sludge granules
- Weber S.D., Wanner G., Ludwig W., Schleifer K.H. and Fried J. (2007) Microbial Composition and Structure of Aerobic Granular Sewage Biofilms; Appl. Environ. Microbiol. Vol. 73: (19): 6233-6240.
