Search

Aktiv-slamanlæg er i dag den hyppigste metode til rensning af både kommunalt og industrielt spildevand. Dannelse af gode flokke er essentielt i aktivt slam for at sikre det udledte rensede spildevand er af tilstrækkelig høj kvalitet. Visse problemer forekommer dog i aktiv-slamanlæg, for eksempel deflokkulering af slamflokkene, hvilket resulterer i bundfældnings- og afvandingsproblemer. Et stort antal trådformede bakterier kan også give problemer, nemlig slamflugt og skumdannelse. Det er derfor vigtigt at øge vores viden om identiteten og fysiologien af de bakterier, der spiller en stor rolle for dannelse af en god flokstruktur og bundfældningsegenskaber. Denne viden kan på sigt bidrage til en generel forbedring af flokkulering, bundfældning og afvanding i aktiv-slamanlæg. Kendskabet til de flokdannende bakterier har hidtil været meget begrænset, mens en del tråde er kendt, dog ikke de, der har betydning for flok-dannelsen. Formålet med dette Ph.D. studie har været at undersøge identitet, funktion og flok-dannende egenskaber hos udvalgte mikrokoloni-dannende bakterier i renseanlæg. Desuden blev identitet og funktion af nogle trådformede bakterier, der primært er vigtige for flokdannelse, undersøgt. I dette Ph.D. studie blev flokstyrken undersøgt af forskellige probe-definerede bakterier ved hjælp af shearbehandling kombineret med FISH. Der blev påvist en stor forskel i styrke samt kolloid-kemiske egenskaber hos de forskellige populationer. Betaproteobacteria dannede de stærkeste mikrokolonier, og styrken var primært relateret til ladningen på ekstracellulære polymeriske substanser, eventuelt fysisk "indvikling”, men ikke hydrofobiciteten. Alphaproteobacteria dannede derimod meget svage mikrokolonier. Hidtil ukendte bakterier tilhørende Aquaspirillum slægten i Betaproteobacteria blev identificeret og en specific genprobe blev designet til at ramme disse bakterier efter at fluorescrende in situ hybridisering (FISH)-mærkede mikrokolonier blev mikromanipuleret og yderligt analyseret ved hjælp af 16S rRNA cyklusen. De viste sig at være meget hyppige flok-dannere, der denitrificerer med kun få aminosyrer som substrat, hvilket indikerer de spiller en rolle for protein nedbrydning i renseanlæg. Det er muligt de også er i stand til at bruge andre substrater, der blot ikke blev testet i dette studie. Thauera og Azoarcus, der også er beslægtet i Betaproteobacteria, blev ligeledes påvist at være hyppige mikrokoloni-dannere. De viste et bredere substrat optag end Aquaspirillum mikrokolonidanneren, og også de var i stand til at denitrificere. Tilsammen udgjorde de 3 grupper oftest over 40-50 % af biomassen især i anlæg med biologisk kvælstof og fosfor fjernelse og er tilsyneladende de absolut dominerende denitrifikanter i disse anlæg. Forskellige egenskaber hos de 3 grupper af bakterier blev undersøgt, og det viste sig, at alle havde hydrofile overflader, der eventuelt er karakteristisk for Betaproteobacteria. Ingen af dem akkumulerede polyfosfat, hvorimod de Aquaspirillum- beslægtede bakterier og Thauera var i stand til omdanne kulstofkilder til intracellulære poly--hydroxyalkanoate granuler. Det blev desuden påvist at Aquaspirillum- beslægtede bakterier og Thauera havde et meget større potentiale til at akkumulere poly--hydroxyalkanoate granuler end hvad man kunne observere under in situ betingelser. Exoenzymatisk aktivitet blev undersøgt hos de 3 bakterie grupper, og blandt andet esterase aktivitet blev observeret hos Thauera og Azoarcus. Da disse denitrificerende Betaproteobacteria dominerer i mange renseanlæg, må de nødvendigvis spille en stor rolle for flokdannelse og -egenskaber. Tråde, der oftest findes i selve flokkene, blev også studeret i dette Ph.D. studie. Morfologisk karakterisation er ikke velegnet til identifikation heraf, og nye genprober blev udviklet. En trådformet bakterie, der ofte har gevækster, viste sig at blive ramt af den specifikke genprobe for Aquaspirillum- slægten. Den er den første påviste trådformede bakterie, der viser sig i stand til at lave fuld denitrifikation. Desuden blev Meganema perideroedes gen. nov., sp. nov., en ny trådformet Alphaproteobacterium fra aktiv-slamanlæg isoleret, identificeret og karakteriseret i detaljer. Eikelbooms Type 0041, hvoraf en del tilhører fylum TM7, og dens meget karakteristiske epiflora blev studeret ved hjælp af mikroautoradiografi kombineret med FISH. Type 0041 viste sig at være meget alsidig med hensyn til substratoptag, hvilket forklarer dens hyppige udbredelse i mange aktiv-slamanlæg. Resultaterne i dette Ph.D. studie har øget vores viden om fylogeni og fysiologi af dominerende flok-dannende bakterier og trådformede bakterier. En stor fraktion af denitrifikanterne især fra anlæg med biologisk kvælstof og fosfor fjernelse er hermed identificeret og beskrevet fysiologisk. Desuden er vores viden om trådformede bakterier med epiflora blevet væsentligt øget. Fremtidige studier må opklare, hvorfor den trådformede bakterie der rammes af Aqs997 proben er istand til at akkumulere substrat under anaerobe betingelser. Det skal også studeres, om det er forskellige subpopulationer, der er ansvarlige for forskellige substratomsætninger hos Thauera og Azoarcus. Desuden skal det undersøges, om det er muligt at selektivt berige for visse ønskede eller ikke ønskede populationer ved hjælp af shearbehandlings eksperimenterne. På sigt kan denne nye viden bidrage til optimering af de biologiske processer, flokkulering, bundfældning og afvanding i renseanlæg. The activated sludge process is the most common all over the world for treatment of domestic and industrial wastewaters. The success of the activated sludge process relies on the formation of good flocs to obtain a high effluent quality and a good dewaterability of the sludge. However, problems exist in wastewater treatment plants (WWTP), like deflocculation of the activated sludge flocs, which results in settling and dewatering problems. Another problem is the abundance of filamentous bacteria, which can result in bulking sludge or foaming. Therefore, it is of high importance to obtain knowledge about phylogeny and physiology of bacteria important for floc structure and settling properties in activated sludge, which possibly in the long term can optimise flocculation, settling and dewatering. The knowledge of floc-forming bacteria is very limited, while more filamentous bacteria are known, however, not those involved in floc-formation. The purpose of this Ph.D. study has been to investigate the identity, function and floc-forming properties of selected microcolony-forming bacteria in WWTP, and study the identity and function of important filamentous bacteria. Floc-strenght of different probe-defined populations was investigated by shear treatment combined with fluorescence in situ hybridization (FISH), and a large difference in the strength and colloid-chemical properties was found. It was shown that Betaproteobacteria formed the strongest microcolonies, and the strength seemed mainly related to the charge of the extracellular polymeric substances, and maybe entanglements of exopolymers, but not hydrophobicity. Alphaproteobacteria were weak microcolony-formers. Hitherto unknown bacteria related to the Aquaspirillum genus in the Betaproteobacteria were identified, and a specific oligonucleotide probe was designed after micromanipulation of FISH-labelled microcolonies and subsequently applying the 16S rRNA approach. These bacteria were shown to be very abundant and dominant floc-formers capable to denitrify only utilizing few amino acids of the substrates tested, indicating an important role in protein degradation in the WWTP. Thauera and Azoarcus, also belonging to the Betaproteobacteria and abundant denitrifying microcolony-formers in most treatment plants, were also studied, and were more diverse in their substrate utilities. Together these 3 groups of bacteria often constitute more than 40-50% of the biomass in WWTP with biological nitrogen and phosphorus removal. Surface properties and storage capabilities of the Aquaspirillum-related bacteria, Thauera, and Azoarcus were investigated, and they all had hydrophobic surfaces, possibly characteristic for Betaproteobacteria. Neither of them stored high amounts of polyphosphate under the in situ conditions tested, whereas the Aquaspirillum-related bacteria and Thauera were able to convert carbon sources into poly--hydroxyalkanoate granules. Furthermore, it was shown, that the potential for accumulating poly--hydroxyalkanoate granules was much higher for the Aquaspirillum-related bacteria and Thauera than observed under in situ conditions. Different exoenzymatic activities were tested, and esterase activity was observed by Thauera and Azoarcus, which correlated well with their ability to use fatty acids. Due to the dominance of these denitrifying Betaproteobacteria, they are of high importance for the floc-formation and properties. Some filamentous bacteria were also studied. Morphological identification is not suitable for their identification, and new oligonucleotide probes were developed. A filamentous bacterium often with epiphytic growth was targeted by the probe for Aquaspirillum-related bacteria. This is the first identified filamentous bacterium capable to perform full denitrification. Furthermore, Meganema perideroedes gen. nov., sp. nov., a new filamentous Alphaproteobacterium from activated sludge was identified and characterized in detail. Eikelbooms Type 0041 of which some belong to the TM7 phylum and its characteristic epiphytic growth was studied by MAR-FISH and found to be very versatile in substrate uptake pattern, which explain its abundance in many treatment plants. The results in this Ph.D. have increased the knowledge on phylogeny and physiology of dominant floc-forming bacteria and filamentous bacteria. A large fraction of denitrifyers from especially WWTP with biological nitrogen and phosphorus removal are hereby identified and described from a physiologically point of view. In addition our knowledge on filamentous bacteria with epiflora has been increased significantly. Future studies will resolve why the filamentous bacteria targeted by the new oligonucleotide probe for Aquaspirillum-related bacteria are able to utilize substrate under anaerobic conditions. If different subpopulations of Thauera and Azoarcus are responsible for different substrate utilizations need to be investigated, and furthermore it will be interesting to see if it is possible to selectively enrich for wanted or unwanted bacteria fractions in sludge using the shear experiments. This can hopefully contribute to increased knowledge on optimization of biological processes, flocculation, settling and dewatering in WWTP.

Udgivelsesdato: NOV 1