Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1444
Main Title: Studies on the processes of bacteria elimination in constructed wetlands
Translated Title: Untersuchungen zu den Prozessen der Bakterienelimination in bewachsenen Bodenfiltern
Author(s): Alexandrino Fernandes, Maria de Fátima Azevedo
Advisor(s): Szewzyk, Ulrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die bakteriologische Reinigungsleistung dreier mehrstufiger Pflanzenkläranlagen mit bewachsenen Bodenfiltern wurde mit kulturunabhängigen Methoden ermittelt. Alle Pflanzenkläranlagen liegen in Deutschland und reinigen häusliches Abwasser von 100 bis 1.000 Einwohnergleichwerte. Direkte mikroskopische Zählungen der Abwasserbakterien nach jeder Reinigungsstufe zeigten, dass die bakteriologische Reinigungsleistung der vertikalen Bodenfilter hoch war (zwischen 93% und 99,5%). Im Gegensatz dazu war die Reinigungsleistung der horizontalen Bodenfilter unregelmäßig und im Allgemeinen niedriger (durchschnittlich 46%). Die Ergebnisse von standardisierten Kultivierungsverfahren ergaben, dass die durchschnittliche Reinigungsleistung der untersuchten horizontalen Bodenfilter mit 98% höher als die der vertikalen Bodenfilter (95%). Eine Vergleichsanalyse der mit beiden Methoden ermittelten Ergebnisse zeigte jedoch, dass der Anteil an kultivierbaren Bakterien im Ablauf der Horizontalfilter sehr stark abnahm. Demzufolge wurde die Reinigungsleitung der untersuchten horizontalen Bodenfilter mit Standardkultivierung stark überschätzt. Ein PCR-Ansatz für die schnelle, sensitive und zuverlässige Detektion von vier enteropathogenen Bakterien mit Relevanz in der Abwasserhygiene (Campylobacter jejuni, Escherichia coli O157:H7, Helicobacter pylori und Yersinia enterocolitica) wurde an den Abwasserproben getestet. Die höchste Sensitivität wurde mit der Methode zur Detektion von Y. enterocolitica ermittelt. Sie betrug 5 Zielzellen pro 100 ml behandeltem Abwasser und 200 Zielzellen pro 100 ml vorgeklärtem Abwasser. Die niedrigste Sensitivität wurde für E. coli O157:H7 ermittelt (250 Zielzellen pro 100 ml behandeltem Abwasser und 10,000 Zielzellen pro 100 ml vorgeklärtem Abwasser). Alle PCR Methoden konnten innerhalb von 12 Stunden durchgeführt werden und waren bei einem Hintergrund von 1011 Nicht-Zielzellen pro 100 ml Abwasser spezifisch und reproduzierbar. Die untersuchten pathogenen Bakterien wurden in den Pflanzenkläranlagen nicht detektiert. Um dennoch definierte Aspekte der Eliminationsprozesse von pathogenen Bakterien in bewachsenen Bodenfiltern zu untersuchen wurde ein Labormaßstabreaktor gebaut und betrieben. Die Bau- und Betriebsparameter wurden so ausgewählt, dass der Reaktor als Simulation eines bewachsenen Bodenfilters zur Abwasserreinigung fungierte. An dem Reaktor wurde das Schicksal eines in das Abwasser eingeführten enteropathogenen Bakteriums (Y. enterocolitica) verfolgt. Für die Detektion von Y. enterocolitica im Reaktor wurde die TaqMan PCR ausgewählt und optimiert. Die Sensitivität der Methode war 200 Zielzellen pro ml Abwasser und 400 Zielzellen pro g Filtermaterial. Nach einer Betriebszeit von drei Wochen war die Biofilmbildung im Reaktorkörper gering: 0,16% organisches Material wurde im Filterkörper akkumuliert und die Bakteriendichte variierte zwischen 106 und 107 Zellen pro g Trockengewicht des Filtermaterials. Die zulaufende Bakterien wurden jedoch mit einer fast konstanten Rate zurückgehalten. Y. enterocolitica wurde zu 99,8% zurückgehalten, während die allgemeine Reduktion von Bakterien bei 97% lag. Eine relevante Auswaschung von Bakterien aus dem Filterkörper wurde nicht festgestellt. Vielmehr setzten sich die Bakterienpopulationen im Ablauf des Reaktors aus einer Subgruppe nicht zurückgehaltener Zulaufbakterien zusammen. Ähnliche Vorgänge schienen in den realen vertikalen Bodenfiltern stattgefunden zu haben. Diese Annahmen werden durch die folgenden Daten unterstützt: • Kultivierung und in situ Hybridisierung gaben Hinweise darauf, dass die physiologische Aktivität der Bakterien im Filtermaterial niedriger war, als die physiologische Aktivität der Bakterien im Zu- und Ablauf der Filter. • Die morphologischen Eigenschaften der Bakterien im Ablauf der Filterbetten waren einer Subpopulation der zulaufenden Bakterien (und nicht den Filterbakterien) ähnlich. • Die Mengen an zu- und ablaufenden Bakterien waren annähernd proportional. Nach 8 Tagen Beschickung mit Y. enterocolitica, konnte das pathogene Bakterium in nachweisbaren Mengen im Filterbett detektiert werden. Die Konzentration war in 3 cm Tiefe am höchsten (104 Zellen pro g Trockengewicht) und nahm bis auf 102 Zellen pro g Trockengewicht in 30 cm Tiefe ab. Allerdings wurden ca. 99% der gesamten zurückgehaltenen Y. enterocolitica Zellen im Reaktorkörper eliminiert. Die zurückgehaltenen autochthonen Abwasserbakterien wurden zu ca. 96% eliminiert. Abiotische Faktoren wie niedriger Feuchtigkeits- und Organikgehalt und relativ hohe Temperaturen (25ºC) trugen wahrscheinlich stark zur Bakterienelimination im Reaktorkörper bei. In den realen bewachsenen Bodenfilter unterstützten die abiotischen Faktoren das Überleben von Bakterien in den Bodenfiltern in größerem Umfang, da sowohl die Feuchtigkeit als auch der Anteil organischen Materials höher und die Temperatur im Allgemeinen niedriger war. Im Gegenteil spielten antagonistische Beziehungen zwischen den verschiedenen Bakterienarten und Fraßdruck vermutlich eine größere Rolle bei der Elimination der Abwasserbakterien in den bewachsenen Bodenfiltern als im Reaktor. Sowohl in den Pflanzenkläranlagen als auch im Reaktor wurden Protozoen fast nur in der wässrigen Phase und an Stellen der Filterkörper detektiert, die eine hohe Bakteriendichte aufwiesen. Die in den beschriebenen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass vertikale Bodenfilter mit niedrigem Biofilm eine gute Strategie für die langfristige und zuverlässige bakteriologische Abwasserreinigung durch bewachsene Bodenfilter darstellen können.
The bacteriologic purification efficiency of three multistage subsurface flow constructed wetlands with vertical and horizontal reed beds was analyzed by culture independent methods. All wetlands are located in Germany and treat domestic wastewater of 100-1,000 population equivalents. Microscopic enumerations of the wastewater bacteria at different purification stages revealed that bacteria removal efficiency of the vertical beds was high (between 93% and 99.5%), whereas the contribution of the horizontal reed beds to the bacteriological purification of wastewater was low and erratic (average of 46%). However, when assessed with standard cultivation procedures, the purification efficiency of the horizontal reed beds was higher than that of the vertical reed beds (98% vs. 95%). Comparison of the data obtained by microscopic counts with standard cultivation revealed that the fraction of culturable bacteria was especially low in the effluent of the horizontal reed beds. Consequently, the purification capacity of the horizontal beds was significantly overestimated by the standard cultivation procedures. A PCR-based approach for rapid, sensitive and reliable detection of four waterborne, VBNC forming enteropathogenic bacteria (Campylobacter jejuni, Escherichia coli O157:H7, Helicobacter pylori and Yersinia enterocolitica) was tested in the wastewater samples. The highest sensitivity was obtained with the protocol for Y. enterocolitica with 5 cells per 100 ml of treated wastewater and 200 cells per 100 ml of settled wastewater. The lowest sensitivity was obtained for E. coli O157:H7 with 250 target cells per 100 ml of treated wastewater and 10,000 target cells per 100 ml of settled wastewater. All PCR methods could be performed within 12 hours and were specific and reproducible in a background of 1011 non-target cells per 100 ml of wastewater. None of the investigated pathogenic bacteria were detected in the investigated constructed wetlands. Therefore, in order to study defined aspects of the processes of pathogen elimination in vertical beds, the fate of a pathogenic Y. enterocolitica strain was investigated in a lab-scale fixed-bed reactor. The reactor was constructed and operated in order to simulate a reed bed for wastewater treatment. The reactor was percolated with primary settled wastewater amended with the pathogenic strain of Y. enterocolitica. The TaqMan assay was selected and optimized for tracing Y. enterocolitica in the fixed-bed reactor. The assay displayed low detection limits (200 target cells ml-1 of wastewater and 400 target cells g-1 of filter medium). After three weeks of operation biofilm formation in the reactor bed was low: only 0.16% of organic matter accumulated in the filter and bacterial densities varied between 106-107 cells g-1 of dry weight filter medium. Despite of low biofilm formation in the filter bed, wastewater bacteria were retained at a nearly constant rate (97%). The retention of Y. enterocolitica by percolation amounted to 99.8%. A significant elution of bacteria from the reactor filter bed was not detected. Effluent bacterial populations were constituted by a sub-population of the not retained influent bacteria. A similar retention mechanism seemed to have taken place in the full-scale reed beds. These assumptions are supported by the following data: • Cultivation and in situ hybridization indicated that the physiologic activity of the filter medium bacteria was lower than the physiologic activity of both the influent and effluent bacteria. • The morphology of the effluent bacteria was rather similar to a sub-population of the influent bacteria and not to the morphology of filter medium bacteria • The amounts of influent and effluent bacteria were nearly proportional After 8 days of percolation with Y. enterocolitica, the pathogen accumulated in detectable amounts in the filter bed. Y. enterocolitica concentration was highest in 3 cm depth (104 cells g-1 dw) and decreased to 102 cells g-1 dw in 30 cm depth. However approximately 99% of the total retained Y enterocolitica cells were eliminated in the reactor filter bed. The autochthonous wastewater bacteria were eliminated by approximately 96%. Abiotic factors like low moisture and organic matter content, and relatively high temperatures (25ºC) probably contributed strongly to bacteria elimination in the reactor column. In the full-scale plants, the physical factors were more favorable for bacteria survival in the filter beds, since moisture and organic matter content were higher and temperatures in general lower. On the contrary, antagonistic relationships between bacterial species and predation probably played a more significant role in bacteria elimination in the full-scale filters than in the lab-scale filter. In both the constructed wetlands and the fixed-bed reactor protozoa were almost only detected in the aqueous phase and in spots of the filter beds with high bacterial density. The results derived from the analysis of the full-scale and lab-scale systems suggest that, for long-term operation, the vertical flow operation modus combined with low biofilm formation can constitute a feasible strategy for reliable bacteriologic wastewater purification in subsurface flow constructed wetlands.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13731
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1741
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1444
Exam Date: 12-May-2006
Issue Date: 11-Oct-2006
Date Available: 11-Oct-2006
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Abwasserreinigung
Bewachsene Bodenfilter
DAPI-Zählungen
Pathogene
PCR
Constructed wetland
DAPI counts
Pathogens
PCR
Wastewater purification
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