Das Verständnis der mikrobiellen Ökologie setzt die Verknüpfung einer beobachteten Populationsdynamik zu spezifischen mikrobiellen Funktionen wie Abbauprozessen (Nährstoffelimination) oder Störereignissen (Blähschlamm) voraus. Da im Allgemeinen die Annahme getroffen wird, dass funktionale Diversität mit der Stabilität eines Prozesses korreliert, ist es wichtig zu beurteilen, wie Diversität auf die Leistungsfähigkeit eines Prozesses Einfluss nimmt. Die vorliegende Studie unterstreicht die Bedeutung einer klaren Erkennung und Zuordnung von mikrobiellen Funktionen industrieller Belebtschlämme im Hinblick auf eine verbesserte Prozessüberwachung und –steuerung. Im Rahmen zweier Fallstudien wurden die mikrobiologischen Werkzeuge Illumina sequencing, real-time PCR und FISH als Monitoring-Tools in zwei großtechnischen industriellen Belebtschlammverfahren eingesetzt. Die Ergebnisse der Sequenzierung zeigten, dass die Verteilung höherer bakterieller Taxa in den meisten Fällen durch Actinobacteria, Bacteroidetes, Proteobacteria und unclassified Bacteria dominiert wurde, während jede biologische Prozessstufe auf Speziesebene einzigartig war. Mithilfe einer multivariaten Datenanalyse konnte aufgezeigt werden, dass Veränderungen in der Zusammensetzung der Biozönose hauptsächlich durch die Einflussfaktoren Temperatur, pH-Wert, Gelöstsauerstoffkonzentration, Schlammalter und Fettsäuren hervorgerufen wurden. Bakterien mit einer Schlüsselrolle wie z.B. Aequorovita, Flavobacterium, Bacterium Kaz2 und M. parvicella wurden identifiziert und nach ihrer entsprechenden Funktion klassifiziert. Unter Anwendung von speziell angefertigten 16S rRNA-Primern und -Sonden wurden funktionale Mikroorganismen mithilfe von real-time PCR quantifiziert und durch eine FISH-Analyse charakterisiert. Eine der zentrall Erkenntnisse bestand in der Charakterisierung des Bakteriums Kaz2, welches bisher nicht klassifiziert ist. Anhand der FISH-Analyse wurde festgestellt, dass Kaz2 zum Phylum der Bacteriodetes gehört. In morphologischer Hinsicht bildet Kaz2 große Kokken in unregelmäßigen Agglomeraten von 5 bis 25 µm innerhalb der Schlammflocke aus. Als weiteres wichtiges Ergebnis dieser Studie wurde das Verhältnis zwischen dem Mikroorganismus Aequorovita und der Entstehung von Blähschlamm angesehen. Aequorovita kam bei Blähschlammereignissen in hohem Anteil von 8,3 bis 29,8 % im Schlamm einer Anlage vor, während M. parvicella, welches zuvor als Schlüsselorganismus für Blähschlamm angesehen wurde, lediglich einen Anteil von 1,3 bis 2,9 % aufwies. Des Weiteren wurde festgestellt, dass beide Organismen durch die Anwesenheit von Fettsäuren, vor allem Linolensäure (C18:3), Linolsäure (C18:2) und Palmitinsäure (C16:0), beeinflusst wurden. Mithilfe der Quantifizierungsergebnisse konnte beobachtet werden, dass Aequorovita die Entstehung von Blähschlamm bereits ab einem Anteil von 8,3 % initiieren kann. Die in dieser Studie entwickelte real-time PCR Analyseverfahren wurden weiterhin genutzt um Veränderungen in der Biomassezusammensetzung bezüglich funktionaler Bakterien während eines Pilot-Versuchs (dritte Fallstudie) zur Blähschlammbekämpfung zu überwachen. Als Erfolgsmerkmale wurden dabei die durch eine Vorbehandlung induzierte Entfernung von Fettsäuren und Phosphat aus dem Zulauf zur biologischen Stufe, sowie der Rückgang von schaum- und blähschlammbildender Populationen wie Aequorovita und M. parvicella bewertet. Die erlangten Ergebnisse deuteten auf eine spezifische Beeinflussung der M. parvicella Population durch die Vorbehandlung hin, während die übrige Biomasse nicht negativ beeinflusst wurde. Aequorovita hingegen wurde nicht durch die Vorbehandlung beeinflusst, da das Bakterium offenbar in der Lage war, sich an die entsprechende Stresssituation anzupassen. Nach Beendigung der Pilot-Versuche wurde eine funktionsgleiche Vorbehandlungsstufe in die großtechnische Anlage implementiert.