Monitoring der mikrobiellen Nitrifikation im Abwasser

Die Stickstoffentfernung in kommunalen und industriellen Kläranlagen ist zum Teil jetzt bzw. spätestens in einigen Jahren sowohl in Österreich als auch in der EU verpflichtend. Untersuchungen an Pilot- und Großanlagen zeigen jedoch häufig eine starke Inhibition der Nitrifikation. Daraus entstehen für den Betreiber einer Kläranlage häufig Probleme bei der Einhaltung der gesetzliche festgesetzten Grenzwerte. Trotz intensiver Untersuchungen auf dem Gebiet der Nitrifikation sind noch zahlreiche grundsätzliche Fragen offen, die es dem Abwassertechniker oft schwer machen, das Problem einer Lösung zuzuführen. Ziel dieses Projektes ist unter Erarbeitung der dazu notwendigen molekularbiologischen Grundlagen, die Entwicklung und Anwendung neuer molekularer Methoden. Dies ermöglicht erstmals eine Analyse und ein Monitoring des mikrobiellen Schlüsselschritts des Nitrifikationsprozesses (amoA Gen) auf molekularem Niveau. Gemeinsam mit bereits etablierten Methoden der abwassertechnischen Forschung werden die entwickelten Techniken eingesetzt um einen umfassenderen und detaillierteren Einblick in die Rahmenbedingungen der mikrobiellen Nitrifikation zu erlangen. Darüber hinaus soll die Untersuchung zur Ableitung prozesskinetischer Parameter unter verschiedenen Abwasser und Umweltbedingungen führen. Nicht zuletzt soll das Projekt neue Strategien und zielführende Methoden zur Aufklärung der Umstände unzureichender Nitrifikationsleistungen liefern und somit wichtige Fakten zu Bemessung und Planung von Kläranlagen erbringen.

Da der mikrobielle Prozess der Nitrifikation inhibiert werden kann führt dies vor allem in speziellen industriellen aber auch in kommunalen Abwasseranlagen zu erhöhten gesamt Stickstoff Emissionswerten. Laut Abwasseremissionsverordnung von 2001 für kommunales Abwasser in Österreich muss der gesamt gebundene Stickstoff in Abwasserreinigungsanlagen > als 5.000 EW60 (Einwohnerwert) um mindestens 70% reduziert werden. Für den Ausbau beziehungsweise die Konzeption neuer Kläranlagen ist die Kontrolle und Überwachung der Bakterien, welche den ersten Schritt der Stickstoffentfernung bewerkstelligen wichtig. In einer Tierkörperverwertungsanlage kam es wiederholt zum Ausfallen der Nitrifikation (erster Schritt der Stickstoffentfernung) und damit zu erhöhten Stickstoff Emissionswerten. Wir konnten mittels molekularbiologischer Methoden zeigen, dass bei Hemmung der Nitrifikation Nitrosospira sp. als einziges Ammonik Oxidierendes Bakterium (AOB) detektierbar war. Während guter Nitrifikationsleistung konnte Nitrosomonas sp. nachgewiesen werden. Weiters konnten wir zeigen, dass das Abwasser dieser Tierkörperverwertungsanlage für die Inhibition der Nitrifikation verantwortlich war und das Vorhandensein von Nitrosospira sp. mit fallender Nitrifikationkapazität einherging. Um die molekularbiologischen Methoden zu überprüfen haben wir das Bakterium, welches unter hemmenden Bedingungen vorherrschte angereichert, isoliert und anschließend identifiziert. Phylogenetisch relevante Gene wurden analysiert und eine Stammbaumanalyse durchgeführt. Das Bakterium mit dem Namen Nitrosospira Nsp 69, stellt eine neue Spezies dar, welche die tiefste Abzweigung innerhalb der Gruppe der Nitrosospira repräsentiert. In Summe führten diese Analysen zur Ausarbeitung neuer Konzepte für die Tierkörperverwertungsanlage, was sowohl die Betriebsweise als auch den eventuellen Aus/Umbau der Kläranlage betraf. Außerdem wurden zur Analyse der AOB neue Methoden entwickelt, welche einerseits die simultane Analyse der DNA bzw. RNA erlauben, andererseits einen verbesserten Nachweis des funktionellen Gens amoA, welches für das essentielle Enzym der Ammonium Monooxygenase der AOB codiert.