Mikroorganismer i avloppsrening

Transkript

1 Mikroorganismer i avloppsrening Sofia Andersson Mikroorganismer i avloppsrening 1

2 Hela phyl träd med eukaryoter o allt! Mikroorganismer i avloppsrening 2

3 Mikroorganismer i avloppsrening 3

4 Metoder Klassisk mikrobiologi Isolering och karaktärisering Molekylärbiologiska metoder Fluorescent in situ hybridization, (FISH) 16S rrna profil Confocal Laser Scanning Microscopy, (CLSM) Digestion Gradient Gel Electrophoresis, (DGGE) Microarray FISH-microautoradiography (FISH-MAR) Mikroorganismer i avloppsrening 4

5 EUB-probe, grön (alla bakterier) B. denitrificans -probe (röd) och EUB-probe (grön) överlappar orange signal Mikroorganismer i avloppsrening 5

6 Extrahera DNA från slam, amplifiera 16SrRNA-gen mha PCR Märk in genfragmenten med fluorofor Spotta DNAprober på glas slide = Microarray Hybridisera gener och DNA-prober Mikroorganismer i avloppsrening 6

7 Avloppsrening Primärrening: mekanisk rening (1) (4) Sekundärrening: biologisk nedbrytning av organiskt material (3), aerob, anoxisk eller anaerob Tertiärrening: kemisk och biologisk rening av kväve och fosfor (2) (3) Mikroorganismer i avloppsrening 7

8 Mikroorganismer i avloppsrening Aktiv slam modellsystem Biofilm Anaeroba processer Mikroorganismer i avloppsrening 8

9 Aktiv Slam Renar bort: C N P Patogener Partiklar Typer av mikroorganismer: Bakterier Protozoer Svampar Metazoer Microalger Viktiga slamegenskaper: Flockbildning Undvika slamsvällning och skumning Mikroorganismer i avloppsrening 9

10 Heterotrofer Org. C + O 2 biomassa (50%) + CO 2 + H 2 O Aeroba/ Fakultativt anaeroba/ Anoxiska/ Strikt anaeroba Snabb tillväxt hög slamproduktion Proteobacteria (phylum; Class: α, β, γ, δ, ε) TABLE 8.2. Distribution of Aerobic Heterotrophic Bacteria in Standard Activated Sludge Genus or Group Comamonas-Pseudomonas Alcaligenes Pseudomonas (fluorescent group) Paracoccus Unidentified (gram-negative rods) Aeromonas Flavobacterium-Cytophaga Bacillus Micrococcus Coryneform Arthrobacter Mikroorganismer i avloppsrening 10 Aureobacterium-Microbacterium % Total Isolates

11 Bakterier i kväverening Kväve inkommer till avloppsreningsverk som NH + 4 Organiskt bundet kväve Mekanismer för att rena kväve Nitrifikation+Denitrifikation Anammox Uppbyggnad av nya celler Mikroorganismer i avloppsrening 11

12 Nitrifierare Strikta aerober Autotrofer (CO 2 som kolkälla) Kemolitotrofer (inorg. e - donator) Långsamväxande (delningstid ca 1-10 dagar) Känsliga för extrema ph, gifter etc. Gynnas av hög slamålder Phylum: Proteobakteria, Nitrospira Identifiering: amoa gen (α-subenhet av enzymet ammonia monooxygenase) Isolering i specifikt medium (tidskrävande) FISH NH Ammonium oxiderare 4 NO Nitrit oxiderare 2 NO Mikroorganismer i avloppsrening 12

13 Ammonium oxiderande bakterier (AOB) NH 3 + O 2 + 2e - + 2H + NH 2 OH + H 2 O NH 2 OH + H 2 O + ½O 2 NO H 2 O + H + NH 3 + 1½O 2 NO 2- + H 2 O Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus Mikroorganismer i avloppsrening 13

14 Nitrit oxiderande bakterier (NOB) NO 2- + ½O 2 NO 3 - Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina Mikroorganismer i avloppsrening 14

15 Denitrifierare NO3- (NO2-) N2 (gas) Många olika heterotrofa bakterier kan denitrifiera vid anoxiska förhållanden Vanligast: stavformad, GFISH Comamonas denitrificans Aerobt växer snabbt denitrifierar inte Anoxiskt Denitrifierar Växer långsamt Mikroorganismer i avloppsrening 15

16 5CH 3 COOH + 8NO 3-8HCO CO 2 + 6H 2 O + 4N Mikroorganismer i avloppsrening 16

17 Denitrifierare : Identifikation Identifiering: Enzym-gen som molekylär markör: nitrite reductase, nitrous oxide reductase Isolering och gallring mha denitrifikationstest Mjukagar rör mikrotiterplatta många arter av Pseudomonas Brachyomonas denitrificans Comamonas denitrificans Mikroorganismer i avloppsrening 17

18 Anaerob Ammonium Oxidering - ANAMMOX Kemolitoautotrof Delningstid 2 veckor NH 4+ elektron donator och NO 2- elektron acceptor Upptäcktes 1986, producerar ca 50% av N 2 unik komposition av membranet (ladderane lipider) med anammoxosome organell Phylum: planctomycetes NH 4+ + NO 2- N 2 + 2H 2 O Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus (sötvattenarter), Scalindua (marina arter) Mikroorganismer i avloppsrening 18

19 Anaerob Ammonium Oxidering - ANAMMOX CANON: "completely autotrophic nitrogen removal over nitrite Kombination av aeroba nitrifierande bakterier (AOB) och anaeroba ANAMMOX bakterier O 2 -halt max 0.5mg/L NH 4 + NO 2 - AOB + NH 4 + ANNAMOX N Mikroorganismer i avloppsrening 19

20 Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR 1) Anaerob miljö 2) Aerob miljö PAO bakterie PAO bakterie Poly-P Fettsyror (VFA) Fettsyror (VFA) Pi Bacillus Mikroorganismer i avloppsrening 20

21 - Avger fosfor under anaeroba förhållanden + Tar upp fosfor under aeroba förhållanden = Netto: Upptag större än utsläpp 3. poly-beta-hydroxyalkanoat (PHA) granule (ljus) 4.polyfosfat granul (svart) Candidatus Accumulibacter phosphatis (Uncultivated betaproteobacteria) Actinobacterium (Acinetobacter) Mikroorganismer i avloppsrening 21

22 Definition av Polyphosphate Accumulating Organism (PAO) Synliga poly-p och PHA granuler Favorit kolkälla: acetat, propion-/smörsyra Orörliga stavar/kocker Lever helst i kluster Gram +/-? Ingen enskild organism har hittills isolerats som har alla dessa egenskaper Definitionen är baserad på egenskaper hos EBPR slam Mikroorganismer i avloppsrening 22

23 Flockbildande bakterier Varför är flockar viktiga? Sedimentering, dvs separation av slamfas och vattenfas efter det biologiska reningssteget Mikroorganismer i avloppsrening 23

24 Bra: Zoogloea bildar extracellulära polymerer (EPS) som binder ihop slamflockarna (ytladdningar, hydrofoba interaktioner) lätt sedimenterat Flockbildande bakterier Dålig: Beggiatoa bildar löst sammansatta flockar Sedimenterar dåligt FISH bild av den flockbildande bakterien Zoogloea i aktivt slam med kväverening Mikroorganismer i avloppsrening 24

26 a) pin floc c) flocs contining filamentous organisms Bar = 10 micrometers Mikroorganismer i avloppsrening 26 b) small, weak flocs d) flocs containing filamentous organism network" or backbone

27 Filamentösa bakterier FISH bild av Anaerolineae, anaerob filamentös bakterie i aktivt slam med kväverening. Elektronmikroskop bild av Microthrix parvicella Mikroorganismer i avloppsrening 27

28 Filamentösa bakterier Mycket filamentösa bakterier i aktivt slam: Löst sammansatta flockar Slamsvällning Dålig sedimentering Skumbildning hyrofob cellyta hos filamentösa bakterier Luftbubblor fastnar Gynnas av hög slamålder Microthrix parvicella Bekämpas med polyaluminium (påverkar cellytan) Mikroorganismer i avloppsrening 28

29 Filamentösa bakteriers effekt på aktivslamflockars morfologi och sedimenterbarhet 100 µm Mikroorganismer i avloppsrening 29

30 Patogener Aktivt slam tar bort % av alla patogener inaktivering, betning av protozoer/metazoer, slam-adsorption Bakterier: Salmonella typhi, Streptococcus fecalis, Klebsiella spp., Vibrio cholerae Virus: Adenovirus, Enterovirus, Rotavirus Protozoer: Giardia, Cryptosporidium Mikroorganismer i avloppsrening 30

31 Patogener Hur mäta fekala patogena bakterier? Indikatororganism Finnas i tarmar hos varmblodiga djur Inte patogena Motståndkraft/Livscykel/Förekomst som motsvarar patogen Detekterbar Fekala/Totala koliformer Aeroba/Fakultativt anaeroba, Gram -, inga sporer, stavformade, fermenterar laktos inom 48 h Echerichia coli, Enterobacter, Klebsiella, Citrobacter Mikroorganismer i avloppsrening 31

32 Patogener Detektion av koliformer most-probable-number, MPN membrane filter, MF Selektiva/Diffrentierande medium reagenskit, snabb detektion MPN MF Rekomenderade max-halter av Fekala Koliformer: Dricksvatten: 0 per 100 ml Badvatten: 200 per 100 ml Fiske: 1000 per 100 ml Renat avloppsvatten: 200 per 100 ml Mikroorganismer i avloppsrening 32

33 Protozoer Encelliga djur Flagellater (Bode spp.) Amöbor (Nueglaria spp.) Ciliater (Cyclidium spp.) Funktion i aktivt slam: Betar bakterier och org. C Indikator organismer Flagellater mkt hög BOD halt Frisimmande Ciliater hög BOD halt, bra rening Stjälk ciliater låg BOD halt Vorticella, stjälk ciliat, µm Paramecium, stor ( µm) simmande ciliat Mikroorganismer i avloppsrening 33

34 Svampar Förekommer sällan i aktivt slam (utom jäst), däremot relativt vanlig i biofilmsprocesser Gynnas av Lågt ph Toxicitet Kvävebrist Kan eventuellt orsaka slamsvällning Rhodotorula spp. (jäst), Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium Penicillium Mikroorganismer i avloppsrening 34

36 Metazoer Flercelliga djur Rotiferer, Maskar (Tubificidae), Nematoder, Insekter, Insektslarver, Kräftdjur, Hjuldjur Äter protozoer och bakterier både bra och dåligt Bildar flockar genom att avge slem Mineralisering av slam? Vanliga vid hög slamålder, bra luftning och låg BODbelastning Collotheca (Rotifer) Nematod Mikroorganismer i avloppsrening 36 Lecane sp. (Rotifer)

37 Mikroalger Förekommer i aktivt slam Vanliga i biofilms processer samt dammar Finns speciella algreaktorer Algproduktion + Avloppsrening Algerna syresätter reaktorerna Scenedesmus, Monoraphidium Scenedesmus Monoraphidium Mikroorganismer i avloppsrening 37

38 Biofilms processer Biofilmer i avloppsreningsprocesser består av: Extracellulära polymeriska substanser (polysackarider, proteiner, aminosyror, fetter) Bakterier Protozoer, Alger, Svampar, Flercelliga djur Mikroorganismer i avloppsrening 38

39 Biofilms processer Varför biofilm? Robust: Tåliga mot toxiner, ph variationer, protozo-betning Mindre slamproduktion Kompakta reaktorer, stor kontaktyta Ingen recirkulation behövs Flexibla Mikroorganismer i avloppsrening 39

40 Mikroorganismer i biofilmer EPS-bildande bakterier: Zoogloea Organotrofer: de flesta bakterier (bryter ned org. C) Nitrifierande bakterier: NOB, AOB Denitrifierande bakterier: B. denitrificans Protozoer (äter bakterier och EPS och ser till att biofilmen inte blir för tjock och kompakt) Alger (fotosyntetiserar, kvävefixerar) Svampar (bryter ner toxiska ämnen) Flercelliga djur (äter bakterier och EPS och ser till att biofilmen inte blir för tjock och kompakt) Mikroorganismer i avloppsrening 40

41 Biofilm formation Mikroorganismer i avloppsrening 41

43 Biofilm struktur Komplex, heterogen struktur Bakterie/EPS aggregat Filamentöst EPS Tomrum Kanaler m. diameter µm(transporterar O 2, näringsämnen) Mikroporer Påverkas av flödeshastighet Högt flöde, kompakt biofilm Lågt flöde, fluffig biofilm Kommunicerar via s.k. Quorum sensing FISH-CSLM, SEM, Particle tracking, Cryosectioning, micro-biosensors Mikroorganismer i avloppsrening 43

44 Quorum sensing Mikroorganismer i avloppsrening 44

45 Anaeroba processer Org. C nya celler (5%) + CH 4 + CO 2 + H 2 + NH 3 +H 2 S + CH 4 = Biogas = Energi + Ingen luftning + Hög kolbelastning + Kan bryta ner svårnedbrytbara substanser + Låg slamproduktion - Långsam och känslig process Mikroorganismer: Bakterier dominerar, Arkebakterier (svampar, protozoer) Mikroorganismer i avloppsrening 45

46 Komplext org. C (polysackarider, fetter) Hydrolys Hydrolytiska bakterier Monomerer (glukos, aminosyror, fettsyror) Fermentation Syrabildande bakterier t.ex. Clostridium Organiska syror, alkoholer, ketoner Syrabildning Ättikssyrabildande bakterier t.ex. Syntrobacter, Syntrophomonas Acetat, CO 2, H 2 Metanbildning Metanproducerande bakterier Metan (CH 4 ), CO Mikroorganismer i avloppsrening 46

47 Metanproducerande bakterier Tillhör Arkebakterierna Obligat anaeroba Långsamväxande (delningstid 3-50 dagar) Hydrogenotrophic methanogenes CO H 2 CH 4 + 2H 2 O Methanobacterium, Methanocaldococcus, Methanospirillum Acetotrophic metanogenes CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Methanosarcina, Methanosaeta Mikroorganismer i avloppsrening 47

48 Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reaktor på bryggeri i Nicaragua Mikroorganismer i avloppsrening 48

49 Sammanfattning De flesta mikroorganismer finns i många olika avloppsrenings processer. Genom att styra processen kan vissa mikroorganismer gynnas Anaerobt, hög BOD: Metan producerande bakterier Aerobt, låg BOD, NH4: Nitrifierare Anoxiskt, NO3/NO2: Denitrifierare Anaerobt, VFS/Aerobt: PAO Hög slamålder: Nitrifierare, Microtrix Forskning pågår ständigt Kunskap förnyas Mikroorganismer i avloppsrening 49