Mikroorganismer i avloppsrening Sofia Andersson 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 1
Hela phyl träd med eukaryoter o allt! 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 2
2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 3
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 4
EUB-probe, grön (alla bakterier) B. denitrificans -probe (röd) och EUB-probe (grön) överlappar orange signal 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 5
Extrahera DNA från slam, amplifiera 16SrRNA-gen mha PCR Märk in genfragmenten med fluorofor Spotta 100-100 000 DNAprober på glas slide = Microarray Hybridisera gener och DNA-prober 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 6
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 7
Mikroorganismer i avloppsrening Aktiv slam modellsystem Biofilm Anaeroba processer 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 8
Aktiv Slam Renar bort: C N P Patogener Partiklar Typer av mikroorganismer: Bakterier Protozoer Svampar Metazoer Microalger Viktiga slamegenskaper: Flockbildning Undvika slamsvällning och skumning 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 9
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 10 Aureobacterium-Microbacterium % Total Isolates 50.0 5.8 1.9 11.5 1.9 1.9 13.5 1.9 1.9 5.8 1.9 1.9
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 11
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 3 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 12
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 2- + 2H 2 O + H + NH 3 + 1½O 2 NO 2- + H 2 O Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 13
Nitrit oxiderande bakterier (NOB) NO 2- + ½O 2 NO 3 - Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 14
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 15
5CH 3 COOH + 8NO 3-8HCO 3- + 2CO 2 + 6H 2 O + 4N 2 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 16
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 17
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 18
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 2 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 19
Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR 1) Anaerob miljö 2) Aerob miljö PAO bakterie PAO bakterie Poly-P Fettsyror (VFA) 2009-03-24 Fettsyror (VFA) Pi Bacillus Mikroorganismer i avloppsrening 20
- 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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 21
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 22
Flockbildande bakterier Varför är flockar viktiga? Sedimentering, dvs separation av slamfas och vattenfas efter det biologiska reningssteget 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 23
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 24
2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 25
a) pin floc c) flocs contining filamentous organisms Bar = 10 micrometers 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 26 b) small, weak flocs d) flocs containing filamentous organism network" or backbone
Filamentösa bakterier FISH bild av Anaerolineae, anaerob filamentös bakterie i aktivt slam med kväverening. Elektronmikroskop bild av Microthrix parvicella 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 27
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 28
Filamentösa bakteriers effekt på aktivslamflockars morfologi och sedimenterbarhet 100 µm 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 29
Patogener Aktivt slam tar bort 80-99 % 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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 30
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 31
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 32
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, 15-50 µm Paramecium, stor (100-300 µm) simmande ciliat 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 33
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 34
2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 35
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 36 Lecane sp. (Rotifer)
Mikroalger Förekommer i aktivt slam Vanliga i biofilms processer samt dammar Finns speciella algreaktorer Algproduktion + Avloppsrening Algerna syresätter reaktorerna Scenedesmus, Monoraphidium Scenedesmus Monoraphidium 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 37
Biofilms processer Biofilmer i avloppsreningsprocesser består av: Extracellulära polymeriska substanser (polysackarider, proteiner, aminosyror, fetter) Bakterier Protozoer, Alger, Svampar, Flercelliga djur 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 38
Biofilms processer Varför biofilm? Robust: Tåliga mot toxiner, ph variationer, protozo-betning Mindre slamproduktion Kompakta reaktorer, stor kontaktyta Ingen recirkulation behövs Flexibla 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 39
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 40
Biofilm formation 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 41
2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 42
Biofilm struktur Komplex, heterogen struktur Bakterie/EPS aggregat Filamentöst EPS Tomrum Kanaler m. diameter 20-200 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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 43
Quorum sensing 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 44
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) 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 45
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 2 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 46
Metanproducerande bakterier Tillhör Arkebakterierna Obligat anaeroba Långsamväxande (delningstid 3-50 dagar) Hydrogenotrophic methanogenes CO 2 + 4 H 2 CH 4 + 2H 2 O Methanobacterium, Methanocaldococcus, Methanospirillum Acetotrophic metanogenes CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Methanosarcina, Methanosaeta 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 47
Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reaktor på bryggeri i Nicaragua 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 48
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 2009-03-24 Mikroorganismer i avloppsrening 49