Dipl.-Biol. Heike Petry-Hansen :

Bakterielle Diversität von Biofilmen in Langsamsandfiltern

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Chemie, 2005-07-27

BetreuerIn: Prof. Dr. Hans-Curt Flemming , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Chemie

GutachterIn: Prof. Dr. Hans-Curt Flemming , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Chemie
GutachterIn: Prof. Dr. Wolfgang Streit , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Chemie

Schlüsselwörter in Deutsch: Langsamsandfilter, Biofilme, Verbleib pathogener Mikroorganismen, Diversität, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), Fluoreszenz-Mikrokolonie-Hybridisierung (FMH), 16S rDNA-Genombanken
Schlüsselwörter in Englisch: slow sand filter, biofilms, fate ot pathogens, diversity, fluorescence in situ hybridization (FISH), fluorescence microcolony hybridization (FMH), 16S rDNA clone libraries

 
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 540 Chemie
 
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Die Langsamsandfiltration wird seit etwa 200 Jahren zur Trinkwasseraufbereitung genutzt. Sie wurde durch Modifikation der Betriebsparameter optimiert, ohne die biologischen Pro-zesse im Filter zu untersuchen. Die am Anfang der Nahrungskette stehenden Bakterien sind von essentieller Bedeutung für die Reinigungsleistungen der Langsamsandfilter. Sie wurden bisher aber nur im Ansatz mittels kultureller Methoden erfasst. Ziel der vorliegen Arbeit war es, einen Einblick in die Diversität und Zusammensetzung der gesamten Bakterienpopulation in den oberen, aktiven Schichten von Langsamsandfiltern zu erlangen. Die Stabilität dieser Bakterienpopulationen sollte an Versuchsfiltern, die unter nicht-optimalen Bedingungen (hohe Trübstoff-, DOC- und Bakterienkonzentrationen im Zu-lauf, Wassertemperaturen von 20-30°C, Verwendung von Glasgranulat und Kokosfasern als Filtermaterialien) betrieben wurden, untersucht werden. Die molekularbiologischen Untersuchungen der Bakterienpopulationen zeigten, dass in den Langsamsandfilter-Biofilmen Multispezies-Gemeinschaften vorliegen, die durch ihre Stoff-wechselvielfalt zum sequenziellen Abbau der verfügbaren Nährstoffe fähig sind. Es dominie-ren Bakterienklassen, die aus verwandten Habitaten bekannt sind. Als eine bedeutende Bakterienklasse in Langsamsandfiltern wurden die Proteobacteria – insbesondere die beta-Subklasse – nachgewiesen. Sowohl die qualitativen ARDR-Analysen als auch die quantitati-ven FISH-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die autochthonen Bakterienpopulationen in „reifen“ Langsamsandfiltern relativ stabil sind und durch Veränderungen der Betriebspa-rameter nur mäßig beeinflusst werden. Obwohl sich bei Betriebstemperaturen von 20-30°C und ausreichend mikrobiell verwertbarer Nährstoffe die zurückgehaltenen, hygienisch rele-vanten Bakterien coliforme Bakterien und Escherichia coli im Filterbett vermehren, dominie-ren stets Umweltbakterien ohne hygienische Relevanz. Die Schmutzdecke der Langsam-sandfilter ist der Ort mit der höchsten Bakteriendichte und der höchsten biologischen Aktivi-tät, während ab ca. 5 cm Tiefe die Bakterienanzahl und –aktivität im gesamten Filterbett konstant ist. Durch die Rückhalteleistung der Versuchsfilter für hygienisch relevante Mikroorganismen konnte gezeigt werden, dass sich aus hygienischer Sicht die Langsamsandfiltration auch unter nicht-optimalen Betriebsbedingungen zur Trinkwasseraufbereitung eignet. Außer Sand können auch Glasgranulat und Kokosfasern als Filtermaterialien verwendet werden, wobei eine Hitzebehandlung zur Abtötung potentiell im Rohmaterial enthaltener, hygienisch rele-vanter Mikroorganismen empfohlen wird. Der Nachweis von Indikatororganismen mit kulturellen Verfahren, entsprechend der Trink-wasserverordnung 2001, ist zeitaufwendig und führt nicht zur Erfassung aller vorhandenen pathogenen Organismen. In der vorliegenden Arbeit konnte exemplarisch für zwei Indikator-parametern, Enterokokken und Enterobacteriaceae/coliforme Bakterien, ein schnelleres und sensitiveres Verfahren optimiert werden, die sogenannte Fluoreszenz-Mikrokolonie-Hybridisierung.

Abstrakt in Englisch

Slow sand filtration has been used for the last 200 years as part of drinking water treatment. The process has been mainly optimised through modification of operating condi-tions without investigation of the biological processes which take place in the filter. Bacteria, which are at the start of the food chain, are essential for the cleaning efficiency of the slow sand filter. To date, these have been investigated using only culture based methods. The aim of this work was to obtain an overview of the diversity and composition of the bacterial population present in the upper active layers of slow sand filters. The stability of the bacterial populations were investigated in test filters which were operated under suboptimal conditions (high concentrations of particulate matter, DOC and bacteria in the inflow water, water temperatures from 20°C to 30°C, use of glass granulate and coconut fibre as alterna-tive filter matrix). The molecular biological investigation of the bacterial populations indicated that slow sand filter biofilms are composed of multispecies communities which, through their diverse metabolic abilities, are able to sequentially degrade the available nutrients. The dominant bacterial classes are those which are known to be present in similar habitats. One of the main bacterial classes detected in slow sand filters are the Proteobacteria, in particular the beta subclass. Both qualitative analysis using ARDRA and quantitative analysis using FISH showed that the autochthonal bacterial population in mature slow sand filters is relatively stable and only slightly influenced by alterations in the operating conditions. Although, at op-erating temperatures of 20°C to 30°C, and with sufficient nutrients available, the retained hygienically relevant bacteria and Escherichia coli are capable of growing in the filter matrix and dominate the natural, non pathogenic bacteria. The slow sand filter Schmutzdecke is the location with highest bacterial cell density and highest biological activity whereas from depths of 5 cm onwards the bacterial cell number and activity in the rest of the filterbed are constant. The retention capability of experimental filters for hygienically relevant microorgan-isms showed that, from a microbiological perspective, slow sand filters are also suitable for drinking water preparation under suboptimal operating conditions. Apart from sand, it is also possible to use glass granulate and coconut fibre as filter matrix, although a heat treatment is recommended to kill all hygienically relevant microorganisms contaminating the raw material. The detection of indicator organisms through culture based techniques, as stated in the Drinking Water Ordinance 2001, is time consuming and does not encompass all the pathogenic organisms present in the sample. In the present work, a fast and sensitive tech-nique, called Fluorescent Microcolony Hybridisation (FMH), was optimised for the detection of two indicator organisms, enterococcen and Enterobacteriaceae/coliform bacteria.