ARAbiom Phase 2 – Gen Monitoring als zusätzliches Diagnoseinstrument auf ARAs
Gesamtkosten:
49.935,00 CHF
Abstract
Die biologische Reinigung einer Abwasserreinigungsanlage (ARA) ist ein technisches Ökosystem zur Entfernung von Schadstoffen im Abwasser, das unter anderem aus einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft besteht. Eine gut funktionierende und etablierte mikrobielle Gemeinschaft in der biologischen Reinigung ist essenziell für die stabile Prozessleistung einer ARA. Das Mikrobiom der biologischen Reinigung unterliegt jedoch einem ständigen Wandel, der auf die Dynamik der Abwasserzusammensetzung, die mikrobielle Konkurrenz, saisonal wechselnde Umweltparameter und den Betrieb der biologischen Reinigung zurückzuführen ist. Die induzierten Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft führen nicht zwangsläufig zu Prozessstörungen oder Leistungseinbrüchen. Wenn jedoch die Grundstabilität des Mikrobioms gestört ist, d. h. eine essenzielle, funktionelle Gilde fehlt, oder nicht die erwartete Leistung erbringt, kann sich dies negativ auf die gesamte Gemeinschaft auswirken. Dies kann zu Prozessstörungen wie z.B. Nitritakkumulation, Schwimmschlamm oder N2O-Emissionen führen und längere Phasen mit unzureichender Anlagenleistung bewirken. In einem Vorgängerprojekt (UTF 711.31.22) wurde ein Mikrobiom-Monitoring-System basierend auf DNA-Analysen, der 16S-rRNA-Sequenzierung, zur Identifikation und Klassifikation von Bakterien für ARAs entwickelt. Mithilfe dieser Analyseresultate können die Anlagenbetreiber die biologischen Prozesse überwachen und optimieren. Dies ermöglicht es ihnen, Betriebsmittelkosten zu senken und die Reinheit des aus der ARA abgeleiteten gereinigten Wassers zu verbessern, wodurch letztendlich die Gewässerqualität geschützt wird. Die gewählte 16S-Methodik (16S-rRNA-Sequenzierung) liefert ein gutes Gesamtbild der Zusammensetzung und der Veränderung des Mikrobioms. Bei der Analyse der Dynamik bestimmter funktioneller Bakteriengruppen sind jedoch die Unsicherheiten der 16S-Methodik zu gross, um Massnahmen für den Betrieb ableiten zu können. In diesem Folgeprojekt sollen nun quantitative qPCR-Analysen zur gezielten Quantifizierung spezifischer, funktioneller Gene gemacht werden. Diese Methode ist sehr sensitiv und kann geringe Mengen der Ziel-Gene in komplexen Umweltproben nachweisen, was besonders wichtig für die Erkennung von Veränderungen in der Genmenge ist.
Schlüsselwörter
Abwasserreinigungsanlage, Mikrobiom, biologische Reinigung, qPCR-Analyse, 16S-rRNA-Sequenzierung, funktionelle Gene, Nitritakkumulation, Prozessüberwachung
Ergebnisse gemäss Vertrag
Die Assays für die Identifikation der funktioneller Gene amoA (für AOBs) und nxrA (für NOB) wurden entwickelt. Die bestehenden Proben aus dem Vorgängerprojekt wurden ausgewählt und analysiert. Die Daten wurden mit jenen der 16S-Methodik verglichen. Meilenstein 1 Zusätzliche Analysen wurden auf der ARA Langmatt mit dem Fokus der Optimierung des Hybridwirbelsystems und des Wachstums von Comammox-Bakterien gemacht. Meilenstein 2 An der ARA EAWAG wurden Versuche zur Reduktion von Phasen mit Nitritakkumulation und erhöhter Lachgasproduktion gemacht. Die bestehende Technologie der qPCR kann in das bestehende Angebot von upwater implementiert werden. Meilenstein 3 Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 3 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben. Der Bericht gibt zudem Auskunft zur erfolgten Zielgruppenansprache (zukünftige Nutzer der Innovation), den Massnahmen zur Markteinführung und zu den erwarteten Entwicklungen bis in 5 Jahren.
Projektziele
Das Ziel des Projektes ist es, mittels qPCR-Analysen eine frühzeitige Detektion von Veränderungen in den funktionellen Genabundanzen von Ammonium-oxidierenden Bakterien (AOBs) und Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOBs) in Belebtschlamm, welche im Zusammenhang mit Nitritakkumulationen und potenziellen Lachgasüberschreitungen stehen, zu ermöglichen. Somit sollen die qPCR-Analysen die 16S-rRNA-Sequenzierung ergänzen und zusammen ein umfassendes Bild der mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer Dynamik liefern, mit dem Ziel die biologischen Prozesse auf ARAs besser zu kontrollieren.
