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Microbial population composition of ochrous biofilms and water samples obtained from technical groundwater-fed systems
Schröder, Josephin
This study assessed the abundance, composition, diversity and functional organisation of bacterial communities correlated to chemical water parameters in four technical groundwater-fed systems. Each sampling site was vulnerable to iron-clogging and was characterised by its own specific technical and hydrochemical conditions. Biofilm and groundwater samples were obtained and compared for drinking water wells in Berlin, a groundwater catchment area with a subsurface iron and manganese removal system in Russia, dewatering wells in the Rhenish lignite mining area and a lab-scale reactor with a natural ochrous formation due to groundwater abstraction.
Each sampling site’s bacterial composition was analysed by 16S rRNA gene clone library construction or 454-pyrosequencing to determine the dominant bacterial groups and to compare the bacterial compositions across all of the sampling sites. Samples from all sites featured highly comparable distributions of phyla, and these mainly consisted of Proteobacteria. However, there were differences between the sites regarding the bacterial class. Sequences with a high homology to the class of Deltaproteobacteria were predominantly abundant in those samples obtained from the lab-scale reactor and the Berlin drinking water wells. In addition, sequences from those samples derived from the wells located at the Russian water catchment site were associated with Betaproteobacteria, while sequences from the dewatering wells at the opencast mining sites belonged to Gammaproteobacteria.
A bacterial population analysis of the 16S rRNA gene did not reveal any shared core operational taxonomic units (OTUs) across all of the sampling sites; however, several OTUs, such as Geobacter, Rhodoferax, Gallionella and Geothrix, were found repeatedly often at most of the sampling sites, indicating that they had an influence on the iron-clogging processes. Those groups are all involved in iron oxidation and reduction reactions, and their biofilm formation potential became apparent.
In addition, site-dependent characteristics, such as methane availability in groundwater, caused high abundances of methano- and methylotrophic bacterial genera, such as Crenothrix and Methylobacter. Such microorganisms are common sources of water supply problems. In addition to methane’s influence on the microbial community composition, the groundwater dissolved organic carbon (DOC) concentration and the redox potential, which is affected by the availability of oxygen, indicated to play a major role.
Additionally, total bacterial and species-specific quantitative real-time PCR (qPCR) enabled to calculate the relative abundance of major taxonomic groups within the samples. The gene copy numbers detected by qPCR for all biofilm samples obtained from water well equipment revealed high amounts of Gallionella-, Crenothrix-, Geothrix- and Rhodoferax-related genes (up to 1011 copies g-1). In addition, the richness values calculated by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) indicated a high degree of diversity in almost all samples.
The identification of parameters with an effect on the bacterial community structure will potentially help to prevent and remediate the clogging process in technical groundwater-fed systems.
In dieser Arbeit wurden die Abundanz, Zusammensetzung, Diversität und funktionale Organisation (engl. functional organisation) der bakteriellen Gemeinschaften in vier technischen, mit Grundwasser gespeisten Systemen, untersucht. Zusätzlich wurden diese Daten mit den wasserchemischen Parametern korreliert. Alle untersuchten technischen Systeme zeigten Verockerungsablagerungen und waren durch standortspezifische, technische und hydrochemische Bedingungen charakterisiert. Die Biofilm- und Wasserproben stammten aus Trinkwasserbrunnen in Berlin, einer Trinkwasserfassung mit unterirdischer Enteisenung und Entmanganung in Russland, Sümpfungsbrunnen aus dem rheinischen Braunkohletagebaurevier und einem Brunnenreaktor im Labormaßstab.
Die bakteriellen Gemeinschaften aller Standorte wurden auf der Ebene der 16S rDNA durch Erstellung einer Klonbibliothek und mittels 454-Pyrosequenzierungsanalyse untersucht, um die dominanten bakteriellen Gruppen zu detektieren und untereinander zu vergleichen. Das Phylum der Proteobacteria war die dominierende Gruppe in allen Standorten, allerdings zeigten sich Unterschiede auf der Ebene der bakteriellen Klasse. Die Sequenzen, welche eine hohe Homologie zur Klasse der Deltaproteobacteria aufwiesen, waren überwiegend in den Proben aus dem Bioreaktor und den Berliner Trinkwasserbrunnen zu finden. Des Weiteren zeigten die Sequenzen aus der russischen Trinkwasserfassung eine mehrheitliche Übereinstimmung zur Klasse der Betaproteobacteria; dagegen gehörte ein Großteil der 16S rDNA Sequenzen aus den Sümpfungsbrunnen zu den Gammaproteobacteria.
Die 16S rDNA Amplikonanalyse ergab keine gemeinsamen OTUs (engl. operational taxonomic units) für die verschiedenen Standorte, allerdings wurden vier OTUs (Geobacter, Rhodoferax, Gallionella und Geothrix) vermehrt in annähernd allen Proben nachgewiesen. Das erhöhte Vorkommen deutet darauf hin, dass sie einen Einfluss auf die Verockerung haben können. Des Weiteren beinhalten alle vier Gruppen Arten, die an der Eisenoxidation und -reduktion beteiligt sind.
Ferner ergaben standortspezifische Charakteristika, wie die Verfügbarkeit von Methan, hohe Abundanzen an methylo- und methanotrophen Gruppen wie den Gattungen Crenothrix und Methylobacter, welche häufig zu Problemen in Grundwasserförderanlagen führen. Neben dem Einfluss von Methan zeigten der Gehalt an gelöstem organischen Kohlenstoff (engl. DOC) und das Redoxpotential einen Einfluss auf die Zusammensetzung und Abundanz der bakteriellen Gemeinschaften.
Mit der quantitativen PCR (qPCR) Analyse der Biofilmproben wurden Genkopien mit bis zu 1011 Genkopien g-1 der Gattungen Gallionella, Crenothrix, Geothrix und Rhodoferax detektiert. Zusätzlich wurde eine hohe bakterielle Diversität für alle Standorte anhand der berechneten Bandenzahl der denaturierenden Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) bestimmt.
Die Identifizierung von Parametern, welche einen Einfluss auf die bakterielle Zusammensetzung haben, kann möglicherweise dazu beitragen, den Verockerungsprozess in technischen Grundwassersystemen zu verlangsamen und zu verhindern.
