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R. Hornek:
"Molekularbiologische Untersuchungen zur Verbreitung und Physiologie von Ammoniak oxidierenden Bakterien in Abwasserreinigungsanlagen";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): R.L. Mach, N. Matsché; E226, 2005.

Laut Abwasseremissionsverordnung für kommunales Abwasser in Österreich (2001) liegt die maximale Ablaufkonzentration von Ammonium - Stickstoff in Abwasserreinigungsanlagen (> 500 EW60) bei 5 mg/l (bei einer Temperatur > 12°C). Wird der mikrobielle Prozess der Ammoniak Oxidation inhibiert, kann dies vor allem in industriellen aber auch in kommunalen Abwasseranlagen zu erhöhten Ammonium - Stickstoff Emissionswerten führen. Für das Funktionieren des Ammoniumabbaus in einer Abwasserreinigungsanlage ist das Vorkommen und die Aktivität der Nitrifikanten (Ammonium- und Nitritoxidierenden Bakterien) wichtig. Zur Analyse der Ammoniak-oxidierendes-Bakterien (AOB) wurden neue Methoden entwickelt, welche einerseits die simultane Analyse der ribosomalen DNA bzw. RNA erlauben, andererseits einen verbesserten Nachweis des funktionellen Gens amoA, welches für das essentielle Enzym der Ammonium Monooxygenase der AOBs codiert. In einer Kläranlage, die Abwasser aus einer Tierkörperverwertungsanlage erhält kam es wiederholt zum Ausfallen der Nitrifikation und damit zu erhöhten Emissionswerten. Während guter Nitrifikationsleistung konnte mittels molekularbiologischer Methoden vorwiegend Nitrosomonas spp. als AOB nachgewiesen werden. Weiters konnten wir zeigen, dass das Abwasser dieser Tierkörperverwertungsanlage für die Inhibition der Nitrifikation verantwortlich war und das Vorhandensein von Nitrosospira spp. mit geringerer Nitrifikation einherging. In Summe führten diese Analysen zur Ausarbeitung neuer Konzepte für die Abwasserreinigung der Tierkörperverwertungsanlage, was sowohl die Betriebsweise als auch den Aus/Umbau der Kläranlage betraf. Um die molekularbiologischen Methoden zu überprüfen haben wir das Bakterium, welches unter hemmenden Bedingungen vorherrschte aus dem Klärschlamm angereichert, isoliert und anschließend identifiziert. Phylogenetisch relevante Gene wurden analysiert und eine Stammbaumanalyse durchgeführt. Eine neue Spezies, mit dem Namen Nitrosospira sp. Nsp69 konnte identifiziert werden. Aus Kläranlagen isolierte und kultivierte AOB gehören vorwiegend zum Genus der Nitrosomonaden, dieses Isolat stellt eine Besonderheit dar.

When studying the microbial process of nitrification (ammonia and nitrite oxidation) in full-scale plants, sometimes severe inhibition of the nitrification process can be observed especially in industrial plants treating process waters but also in municipal wastewater treatment plants (WWTP). Due to incomplete nitrification the ammonium-nitrogen emission may exceed the legal limits. According to the Austrian "Abwasseremissionsverordnung von 2001" for urban municipal wastewater (> 500 population equivalents, temperature > 12°C) a maximum of 5 mg/l ammonium-nitrogen has to be accomplished. For improving existing WWTP and the design of new treatment plants, monitoring of the bacterial community responsible for the first step of the nitrification process (ammonia oxidation) is of great importance. Molecular techniques and microbiological approaches targeting ammonia oxidizing bacteria (AOB) were improved for the investigation of the wastewater treatment processes. A simultaneous extraction protocol was improved to obtain total RNA and genomic DNA from activated sludge. The gene encoding the active site of the ammonia monooxygenase (amoA) has been exploited as molecular marker for studying AOB diversity in the environment. Limitations of pre-existing amoA standard primers for polymerase chain reaction (PCR) were experimentally detected and suggestions for improvements where documented. In detail, we investigated a rendering plant where nitrification breakdowns and higher nitrogen emissions were frequently observed. Application of molecular standard techniques revealed only Nitrosospira spp. in the activated sludge of this rendering plant and other plants with problems in nitrification. Reference plants without nitrification problems showed Nitrosomonas spp. as predominant ammonia oxidising bacteria (AOB). Furthermore we could show that the quality of the process waters was responsible for the inhibiting nitrification effect. We confirmed our results based on molecular tools by a cultivation based approach. The nitrification inhibitory effect of the process waters could be averted in two-stage plants under laboratory conditions, suggesting an upgrade of the existing one stage full-scale WWTP to a two stage WWTP. During a period of incomplete nitrification, we were able to isolate and identify a new AOB species. This species was named Nitrosospira sp. Nsp69. In phylogenetic analyses it forms an independent branch within the Nitrosospira lineage and currently represents a deep branch within this evolutionary lineage. Summarizing, we were able to elaborate an applicable solution for the redesign and upgrading of the rendering plant.