Was haben Mikrobiologie und Ökologie der Abwassertechnik zu bieten? Zur Optimierung der Abwasserreinigung sowie zur Früherkennung und Vermeidung von Störungen ist es notwendig, die Organismen zu kennen, von denen die Reinigungsleistung vollbracht wird. Darüber hinaus bietet die mikrobielle Ökologie auch Ansätze, die biologischen Ursachen von unerwünschten Schlämmen sowie Schaumbildung besser zu verstehen und Ihnen frühzeitig gezielt entgegenzuwirken. Anhand konkreter Beispiele werden Möglichkeiten und Grenzen klassischer und gentechnischer Methoden zur Charakterisierung der Abwassermikroorganismen demonstriert.

I Abwasserreinigungsanlagen als aquatisches Biotop.- 1 Mikrobiologie und Ökologie ¿ Was haben sie der Abwassertechnik zu bieten?.- 1.1 Mikrobielle Lebensgemeinschaften in Abwasser.- 1.2 Abwasserreinigung früher und heute.- 1.3 Aktuelle Probleme in der biologischen Abwasserreinigung.- 1.3.1 Nitrifikation.- 1.3.2 Denitrifikation.- 1.3.3 Biologische Phosphorelimination.- 1.3.4 Absetzverhalten des Schlammes.- 1.4 Aktuelle mikrobiologische und ökologische Fragestellungen in der biologischen Abwasserreinigung.- Literatur.- 2 Wechselbeziehungen Bakterien-Protozoen. Ein Beitrag zur ökosystemaren Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung.- 2.1 Biologische Abwasserreinigung auf vorwiegend empirischen Grundlagen.- 2.2 Die reduktionistische ¿black box¿-Betrachtungsweise.- 2.3 Die ökosystemare Betrachtungsweise der biologischen Abwasserreinigung.- 2.4 Vorkommen der Protozoen.- 2.5 Der direkte Beitrag der Protozoen zur biologischen Abwasserreinigung.- 2.6 Wechselbeziehungen innerhalb der Lebensgemeinschaft.- 2.7 Einfluß des Bakterienfraßes auf bakterielle Stoffumsetzungen.- 2.8 Einfluß der Protozoen auf die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaften.- 2.9 Beteiligung der Protozoen bei der Flockenbildung.- 2.10 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 3 Ökologie mikrobieller Biofilme.- 3.1 Einführung.- 3.2 Relevanz mikrobieller Biofilme.- 3.3 Mikrobielle Besiedlung von Partikeln.- 3.4 Schlüsselfunktionen extrazellulärer polymerer Substanzen.- 3.5 Mikrobielle Populationen und Prozesse in Biofilmen.- 3.5.1 Struktur mikrobieller Biofilme.- 3.5.2 Community-Metabolismus.- 3.5.3 Stratifikation mikrobieller Substratumsätze.- 3.6 Ausblick.- Literatur.- II Den Organismen und Populationsstrukturen abwasserbürtiger Biozönosen auf der Spur.- 4 Klassische Methoden zur Charakterisierung von Abwasserbakterien ¿ Grenzen und Möglichkeiten.- 4.1 Ökologische Aspekte der Abwasserreinigung.- 4.2 Die Rolle der Taxonomie bei der Bestimmung von Struktur und Funktion mikrobieller Lebensgemeinschaften im Abwasser.- 4.3 Isolation und Kultivierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien.- 4.4 Klassische Methoden zur Charakterisierung und Identifizierung von Abwasserbakterien.- 4.4.1 Grundlegende Vorgehensweisen und Verfahren.- 4.4.2 Numerische Verfahren, kommerziell erhältliche Identifizierungssysteme.- 4.4.3 Automatisierte Identifizierung aerober und fakultativ anaerober Abwasserbakterien mittels physiologisch-biochemischer Tests.- 4.4.4 Zusammensetzung der isolierbaren Biozönose einer Kläranlage mit biologischer Phosphorelimination.- 4.4.4.1 Struktur der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft.- 4.4.4.2 Funktion der isolierbaren aeroben und fakultativ anaeroben Lebensgemeinschaft mit Bezug auf die biologische Phosphorelimination.- 4.5 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 5 Hyphomicrobium spp; im Klärwerk und im abwasserbelasteten Gewässer.- 5.1 Einleitung.- 5.2 Taxonomie.- 5.3 Die Bakteriengattung Hyphomicrobium.- 5.4 Vorkommen und Häufigkeit von Hyphomicrobium spp. im Klärwerk und im Gewässer.- 5.5 Schlußfolgerungen für die Praxis.- Literatur.- 6 Durchflußzytometrische Untersuchung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonucleotidsonden.- 6.1 Einleitung.- 6.1.1 Identifizierung von Mikroorganismen durch rRNA-gerichtete Hybridisierungssonden.- 6.1.2 Durchflußzytometrie.- 6.2 Methodik.- 6.2.1 Probenaufbereitung.- 6.2.2 Fluoreszente, in-situ-Hybridisierung und DNA-Färbung.- 6.2.3 Durchflußzytometrische Analyse.- 6.3 Anwendungsbeispiel.- 6.3.1 Relative Häufigkeit phylogenetischer Gruppen.- 6.3.2 Abschätzung von Zellgröße, Ribosomen-und DNA-Gehalt.- 6.4 Möglichkeiten und Grenzen der Methode.- Literatur.- 7 Die Anwendung von in-situ-Hybridisierungssonden zur Aufklärung von Struktur und Dynamik der mikrobiellen Biozönosen in der Abwasserreinigung.- 7.1 Einleitung.- 7.2 In-situ-Hybridisierung von Belebtschlamm mit rRNA-gerichteten Oligonucleotidsonden.- 7.2.1 Gruppenspezifische Oligonucleotidsonden.- 7.2.2 Die Rolle von Bakterien der Gattung Acinetobacter bei der erhöhten biologischen Phosphorentfernung.- 7.2.3 In-situ-Nachweis Gram-negativer fadenförmiger Bakterien.- 7.3 Konfokale Laserscanning-Mikroskopie.- 7.4 Ausblick.- Literatur.- 8 PCR-Fingerprint-Verfahren zur Analyse von Mikroorganismen-Populationen.- 8.1 Einleitung.- 8.2 DNA-Fingerprinting für die Identifizierung und Typisierung von Organismen.- 8.2.1 RFLP-Verfahren.- 8.2.2 PCR-RFLP-Verfahren.- 8.2.3 Restriktionsanalyse amplifizierter rDNA (ARDRA).- 8.2.4 Computergestützte ARDRA-Analyse.- 8.2.5 Typisierung von Mikroorganismen durch Analyse von random amplified polymorphic DNA (RAPD) Markern.- Literatur.- 9 Reaktionstechnische Untersuchungen zur konjugativen Übertragung des TOL-Plasmids pWWO in Suspension und im Biofilm.- 9.1 Einleitung.- 9.2 Plasmide und Konjugation in Kläranlagen.- 9.2.1 Mechanistische Beschreibung der Konjugation.- 9.2.2 Reaktionskinetischer Ansatz zur Beschreibung der konjugativen Plasmidübertragung.- 9.3 Reaktionstechnische Untersuchungen zur Übertragung des TOL-Plasmids.- 9.3.1 Modellsystem.- 9.3.2 Konjugation zwischen suspendierten Kreuzungspartnern.- 9.3.3 Konjugation bei immobilisierten Kreuzungspartnern.- 9.4 Zusammenfassung.- Literatur.- 10 Viren in der Abwasserbehandlung.- 10.1 Einleitung.- 10.2 Struktur und Biologie von Viren.- 10.2.1 Aufbau und Eigenschaften von Viren.- 10.2.2 Erfassung von Viren.- 10.2.2.1 Keimzahlmethoden.- 10.2.2.2 Transmissionselektronenmikroskopie.- 10.2.2.3 Epifluoreszenzmikroskopie.- 10.2.3 Phagenökologie.- 10.3 Viren in der Kläranlage.- 10.3.1 Pathogene Viren im Abwasser.- 10.3.2 Viren als Indikatoren.- 10.3.2.1 Phagen als Fäkalindikatoren.- 10.3.2.2 Viren als Indikatoren in Kläranlagen.- 10.3.3 Entfernung von Viren im Abwasser.- 10.4 Ausblick.- Literatur.- III Aktivitäten der Mikroorganismen des Abwassers.- 11 Bestimmung der stoffwechselaktiven Bakterien im Belebtschlamm.- 11.1 Einleitung.- 11.2 Material und Methoden.- 11.2.1 Bestimmung der Stoffwechselaktivität auf zellulärer Ebene.- 11.2.2 Bestimmung der Gesamt-Stoffwechselaktivität.- 11.3 Ergebnisse und Diskussion.- 11.3.1 Mikroskopische Quantifizierung von stoffwechselaktiven Belebtschlamm-Bakterien.- 11.3.2 Einfluß der CTC-Konzentration.- 11.3.3 Einfluß der Inkubationszeit.- 11.3.4 Einfluß von Nährstoffzugabe und Sauerstoff auf die CTC- Reduktion in Belebtschlamm.- 11.3.5 Einfluß der Probenlagerung auf die CTC-Reduktion in Belebtschlamm.- 11.4 Schlußfolgerungen.- Literatur.- 12 Die Bedeutung von Biofilmen und Flocken für die Nitrifikation in aquatischen Biotopen.- 12.1 Einleitung.- 12.2 Der Nitrifikationsprozeß und die beteiligten Organismen.- 12.3 Analyse nitrifizierender Bakterienpopulationen an natürlichen Standorten.- 12.4 Entstehung und Besiedlung von Biofilmen und Flocken.- 12.5 Ökophysiologische Aspekte der Nitrifikation in Biofilmen bzw. Flocken.- 12.6 Aufbau stabiler Populationen nitrifizierender Bakterien in aquatischen Biotopen.- 12.7 Perspektiven der in situ-Untersuchungen des Nitrifikationsprozesses.- Literatur.- 13 Neue Wege vom Ammonium zum Stickstoff.- 13.1 Einleitung.- 13.2 Anaerobe Denitrifikation von Nitrosomonas.- 13.2.1 Ammonium als Elektronendonator.- 13.2.2 Hydroxylamin als Elektronendonator.- 13.2.3 Organische Substanzen als Elektronendonatoren.- 13.2.4 Molekularer Wasserstoff als Elektronendonator.- 13.3 Denitrifikation von Nitrosomonas unter Sauerstofflimitierung.- 13.3.1 Nitrosomonas-Reinkulturen.- 13.3.2 Mischkulturen von Nitrosomonas und verschiedenen chemoorganotrophen Bakterien.- 13.4 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- 14 Lachgas (N2O)-Freisetzung aus Belebungsbecken von Kläranlagen in Abhängigkeit von den Abwassereigenschaften.- 14.1 Einleitung.- 14.2 N2O-Quellen und -Senken in Gewässern.- 14.2.1 Nitrifikation.- 14.2.2 Denitrifikation.- 14.2.3 Nitratammonifikation.- 14.3 N2O-Emissionen aus aquatischen und terrestrischen Ökosystemen.- 14.4 In-situ-N2O-Freisetzung aus dem Belebungsbecken der Kläranlage Gießen.- 14.5 Diskussion.- Literatur.- 15 Stoffumsetzungen und Bakterienpopulationen in belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.1 Einleitung.- 15.2 Bau und Betrieb von belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.3 Eliminierung der C-Verbindungen.- 15.3.1 Populationsdichte und Aktivität der heterotrophen Bakterienflora.- 15.4 Notwendigkeit der Stickstoffreduzierung hinsichtlich des Gewässerschutzes.- 15.4.1 Stickstoffemissionen bei belüfteten Abwasserteichanlagen.- 15.4.2 N-Dynamik in den Reinigungsstufen.- 15.5 Schlußbemerkung.- Literatur.- 16 Polyphosphatspeichernde Bakterien und weitergehende biologische Phosphorentfernung in Kläranlagen.- 16.1 Einleitung.- 16.2 Phosphoraufnahme durch Mikroorganismen.- 16.3 Phosphoraufnahme durch Belebtschlamm in Kläranlagen.- 16.3.1 Aerobe P-Aufnahme und anaerobe P-Rückführung durch Belebtschlamm.- 16.3.1.1 Substratabhängigkeit der aeroben Phosphataufnahme.- 16.3.1.2 Anaerobe Phosphatrücklösung und Speicherung von Lipiden.- 16.3.1.3 Aerobe Polysaccharidspeicherung.- 16.3.1.4 Abhängigkeit der Phosphorentfernung von der Phosphatkonzentration.- 16.3.2 Hemmung der Phosphatrücklösung durch Nitrat.- 16.3.3 Modellvorstellungen zum P-Stoffwechsel im Belebtschlamm.- 16.4 Polyphosphatspeichernde Belebtschlammbakterien.- 16.4.1 Modellbakterium Acinetobacter.- 16.4.1.1 Polyphosphatspeicherung und Polyphosphatverwertung durch Acinetobacter.- 16.4.1.2 Energiegehalt der Zellen und Polyphosphatspeicherung.- 16.4.1.3 Organische Reservestoffe.- 16.4.2 Spektrum polyphosphatspeichernder Bakterien im Belebtschlamm.- 16.4.3 Syntropher Stoffwechsel im Belebtschlamm.- 16.5 Schlußbetrachtung.- Literatur.- IV Physikalische Probleme durch Abwasserbakterien.- 17 Ursachen und Bekämpfung von Blähschlamm.- 17.1 Einführung.- 17.2 Fadenförmige Mikroorganismen im Belebtschlamm.- 17.3 Wachstumskinetik von Belebtschlammbakterien.- 17.4 Ursachen für die Bildung von Blähschlamm.- 17.4.1 Abwasserbeschaffenheit.- 17.4.2 Betriebs- und Verfahrensweise.- 17.5 Maßnahmen zur Bekämpfung von...