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Oksana Coban

• Groundwater is the main source for potable water and domestic use in numerous countries around the world. However, water quality can be affected by pollution, which influences the natural environment and human health. One of the widespread pollutants in water is ammonia which is toxic to fish and causes eutrophication of lakes and wetlands. Constructed wetlands are promising in situ water treatment methods thanks to enhanced microbial growth within the plants’ rhizospheres, which creates an effective contaminant degradation zone. The ammonia in constructed wetlands can be removed either via total nitrification with further denitrification or partial nitrification coupled with anaerobic ammonium oxidation (anammox). However, so far, the role of anammox in constructed wetlands as well as its correlation with other nitrogen transformations remains unclear. The quantification of nitrogen turnover processes in constructed wetlands is difficult due to the complexity of the wetland systems. Accordingly, the main aim of this research is toGroundwater is the main source for potable water and domestic use in numerous countries around the world. However, water quality can be affected by pollution, which influences the natural environment and human health. One of the widespread pollutants in water is ammonia which is toxic to fish and causes eutrophication of lakes and wetlands. Constructed wetlands are promising in situ water treatment methods thanks to enhanced microbial growth within the plants’ rhizospheres, which creates an effective contaminant degradation zone. The ammonia in constructed wetlands can be removed either via total nitrification with further denitrification or partial nitrification coupled with anaerobic ammonium oxidation (anammox). However, so far, the role of anammox in constructed wetlands as well as its correlation with other nitrogen transformations remains unclear. The quantification of nitrogen turnover processes in constructed wetlands is difficult due to the complexity of the wetland systems. Accordingly, the main aim of this research is to investigate pathways of ammonium removal in constructed wetlands treating contaminated groundwater. For this, several approaches were applied: a) physico-chemical parameters measurements; b) investigations of nitrogen stable isotope fractionation; c) stable isotope labelling approach; d) molecular biological methods. Also, seasonal and spatial variations in nitrogen transformations in several types of constructed wetlands (unplanted horizontal subsurface flow, planted horizontal subsurface flow, and floating plant root mat) were investigated. The application of the stable isotope approach combined with common physico-chemical investigations enabled us to identify key factors influencing efficiency of nitrogen removal in constructed wetlands, which was the plant presence as substrate for attachment and growth of microorganisms. Ammonium removal efficiencies were not different between investigated seasons (spring, summer, and autumn), what could be explained by the fact that throughout all investigated seasons the air temperature remained high (above 10°C). While plant uptake accounted for significant part of ammonium removal during spring and summer in planted constructed wetlands, isotope fractionation patterns revealed that nitrification-denitrification were prevailing processes in planted constructed wetlands throughout the year, occurring in a linear way along the flow path, and not depending on depth in the root zone. The research results also illustrated that in the planted horizontal subsurface flow constructed wetland, the functional genes of the nitrogen cycle were evenly distributed in a linear way along the flow path with prevalence at the superficial points. The same trend was observed for the nitrification and denitrification turnover rates using the isotope labeling techniques. Significant nitrate consumption under aerobic conditions diminishes nitrification rates and should therefore be taken into account when estimating nitrification turnover rates. This nitrate consumption was due to aerobic denitrification, the rate of which was comparable to that for anaerobic denitrification. Consequently, denitrification should not be considered as an exclusively anaerobic process. Phylogenetic analysis of hydrazine synthase (hzsA) gene clones indicated the presence of Brocadia and Kuenenia anammox species in the constructed wetland. Although anammox bacteria were detected by molecular methods, anammox activity could not be measured and hence this process appears to be of low importance in nitrogen transformations in these freshwater ecosystems. In conclusion, this research demonstrated that combination of physico-chemical measurements with stable isotope and molecular biological approaches is an effective tool for investigation of nitrogen transforming processes in constructed wetlands. Such information is not only valuable for understanding of the processes ongoing inside these wastewater treatment facilities but also necessary for further technological improvement of constructed wetlands.…
• Grundwasser ist die wichtigste Quelle für Trink- und Brauchwasser in zahlreichen Ländern auf der ganzen Welt. Allerdings kann die Wasserqualität durch Verunreinigungen beeinträchtigt sein, die Umwelt und Gesundheit negativ beeinflussen. Ein weit verbreiteter Schadstoff im Wasser ist Ammonium, welches toxisch für Fische ist und die Eutrophierung von Seen und Feuchtgebieten bewirken kann. Pflanzenkläranlagen stellen ein effizientes in situ Wasserreinigungssverfahren dar. Das liegt insbesondere am beschleunigten mikrobiellen Wachstums innerhalb der Rhizosphäre der Pflanzen, die eine effektive Schadstoffabbauzone bildet. Das Ammonium kann in Pflanzenkläranlagen entweder über völlige Nitrifikation mit weiterer Denitrifikation oder teilweise Nitrifikation verbunden mit anaerober Ammoniumoxidation (Anammox) entfernt werden. Bislang ist die Rolle von Anammox in Pflanzenkläranlagen sowie deren Korrelation mit anderen Stickstoffumsetzungen noch nicht umfänglich geklärt. Die Quantifizierung der Stickstoffumsetzungsprozesse in PflanzenkläranlagenGrundwasser ist die wichtigste Quelle für Trink- und Brauchwasser in zahlreichen Ländern auf der ganzen Welt. Allerdings kann die Wasserqualität durch Verunreinigungen beeinträchtigt sein, die Umwelt und Gesundheit negativ beeinflussen. Ein weit verbreiteter Schadstoff im Wasser ist Ammonium, welches toxisch für Fische ist und die Eutrophierung von Seen und Feuchtgebieten bewirken kann. Pflanzenkläranlagen stellen ein effizientes in situ Wasserreinigungssverfahren dar. Das liegt insbesondere am beschleunigten mikrobiellen Wachstums innerhalb der Rhizosphäre der Pflanzen, die eine effektive Schadstoffabbauzone bildet. Das Ammonium kann in Pflanzenkläranlagen entweder über völlige Nitrifikation mit weiterer Denitrifikation oder teilweise Nitrifikation verbunden mit anaerober Ammoniumoxidation (Anammox) entfernt werden. Bislang ist die Rolle von Anammox in Pflanzenkläranlagen sowie deren Korrelation mit anderen Stickstoffumsetzungen noch nicht umfänglich geklärt. Die Quantifizierung der Stickstoffumsetzungsprozesse in Pflanzenkläranlagen ist eine Herausforderung aufgrund der biogeochemischen und hydrodynamischen Komplexität solcher Systeme. Dementsprechend ist das Hauptziel dieser Arbeit, die Wege der Ammoniumentfernung in Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von kontaminiertem Grundwasser zu untersuchen. Hierzu wurden verschiedene Ansätze angewendet: a) Messungen von physikalisch-chemischen Parametern; b) Untersuchungen der Fraktionierung von stabilen N-Isotopen im natürlichen Häufigkeitsbereich; c) Markierungsexperimente mit angereicherten stabilen Isotopensubstanzen; d) molekularbiologische Methoden. Außerdem wurden saisonale und räumliche Variationen der Stickstoffumsetzungen in verschiedenen Typen von Pflanzenkläranlagen (nicht bepflanzte horizontale Untergrundströmung, bepflanzte horizontale Untergrundströmung, und schwimmende Pflanzenwurzelmatte) untersucht. Die Anwendung des stabilen Isotopen-Ansatzes verbunden mit physikalisch-chemischen Untersuchungen gibt uns die Möglichkeit, die wichtigsten Einflussfaktoren für die Effizienz der Stickstoffentfernung in Pflanzenkläranlagen zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs und die damit verbundene Wurzelzone der optimaler Lebensraum für die beim Schadstoffabbau aktiven Mikroorganismen war. Ammonium-Abbauraten zeigen keine saisonale Abhängigkeit (Frühling, Sommer, und Herbst), was der Tatsache geschuldet war, dass in allen untersuchten Jahreszeiten die Lufttemperatur über 10°C lag. Im Frühjahr und Sommer entfielen ein erheblicher Teil der Ammoniumentfernung auf die Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen in den Pflanzenkläranlagen. Dennoch zeigten Isotopensignaturen, dass die Nitrifikation-Denitrifikation der vorherrschenden Prozess zur Ammoniumentfernung in Pflanzenkläranlagen über das gesamte Jahr ist, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen Strömungsweg und Abbau zu beobachten ist. Kein Zusammenhang wurde zwischen Abbau und Tiefe der Wurzelzone gefunden. Die Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass in bepflanzten horizontalen unterirdischen Strömungspflanzenkläranlagen die funktionellen Gene des Stickstoffkreislaufs gleichmäßig entlang des Strömungspfades verteilt sind. Allerdings lässt sich diesbezüglich eine vertikale Zonierung erkennen mit dem bevorzugten Auftreten an oberflächennahen Messstellen. Der gleiche Trend wurde für die Umsatzraten von Nitrifikation und Denitrifikation mit Hilfe der Isotopenmarkierungstechniken beobachtet. Signifikanter Nitratverbrauch unter aeroben Bedingungen vermindert Nitrifikationsraten und muss daher unbedingt bei der Schätzung von Nitrifikationsraten berücksichtigt werden. Dieser Nitratverbrauch stand im Zusammenhang mit aerober Denitrifikation, deren Rate vergleichbar war mit jener für die anaerobe Denitrifikation. Folglich sollte Denitrifikation nicht als ausschließlich anaerober Prozess betrachtet werden. Die phylogenetische Analyse von Hydrazin-Synthase (hzsA) Gen-Klonen zeigte die Anwesenheit von Brocadia und Kuenenia Anammox-Arten in der Pflanzenkläranlage. Obwohl Anammoxbakterien durch molekulare Methoden nachgewiesen wurden, konnte der eigentliche Anammoxprozess nicht gemessen werden. Das lässt den Schluss zu, dass Anammox von geringer Bedeutung für die Stickstoffumsetzung in diesen Süßwasser-Ökosystemen ist. Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass die Kombination von physikalisch-chemischen Messungen mit stabilen Isotopen und molekularbiologische Ansätzen ein effektives Werkzeug für die Untersuchung der Stickstoffumsetzungsprozesse in Pflanzenkläranlagen ist. Solche Informationen sind nicht nur für das Verständnis der Prozesse wertvoll, die in Abwasserbehandlungsanlagen ablaufen, sondern auch notwendig für die weiteren technologischen Verbesserungen von Pflanzenkläranlagen.…