Refine
Document Type
- Doctoral thesis (3)
- Working paper (3)
- Master thesis (1)
- Report (1)
Has Fulltext
- yes (8)
Is part of the Bibliography
- no (8)
Keywords
- Stickstoff (8) (remove)
Determination of specific metabolic activities of anammox bacteria and their sensitivity to oxygen
(2013)
The discovery of Anammox bacteria has bridged our knowledge gap in the nitrogen cycle. This is because it explained the direct conversion of nitrite and ammonium to nitrogen gas in many reducing natural environments. However, it has been found that the presence of oxygen is an important determinat factor for certain biochemical processes and distribution of organisms in the environment. In this work, two methodological approaches were used to investigate the specific metabolic activities of Anammox bacteria and their sensitivity to oxygen using a mixed biomass culture. Two laboratory-scale bioreactors were maintained and the biomass in the reactors served as the inoculum for the investigations. The molecular characterization of the biomass was done using the Fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. The specific Anammox activity (SAA) and important inhibition kinetic parameter characterization were estimated while monitoring activities of the biomass using several batch experiments.
The results of the biochemical characterization revealed that several microbial activities such as denitrification, nitrification, dissimilatory nitrate reduction to ammonium and Anammox processes were competing in the bioreactors. These were observed in the analysis of effluent recirculation of the feed solutions in the bioreactors, however, the Anammox process was predominant. An optimum sonication time top of eight minutes was established used to determine the average optical density to dry mass (OD: DM) ratio of 0.87 in the biomass. The FISH characterization estimated 60.4 % ± 14.6% (mean ± standard deviation) Anammox bacteria concentration in the biomass of Bioreactor 1. The Anammox bacteria were made up C. Kuenenia Stuttgartiensis (̴ 78%) and the remaining C. Brocadia Fulgida.
The maximum SAA of 0.025 mgNH4-N (TSSAnammox-1. d-1) and 5.4 mgNH4–N (1011 CellAnammox-1. d-1) for ammonium, and 0.04 mg N2-N (TSSAnammox-1. d-1) and 9.4 mgN2–N (1011 CellAnammox-1. d-1) for nitrogen gas were found in the biomass. While a binding affinity constant Ki = 0.07 mgO2 /l, maximum half inhibition concentration IC50 ̴ 0.2 mg O2 /l and KM = 50 mg/l were estimated for the inhibition kinetics of oxygen in the biomass. The low Ki value found in this study indicates that oxygen is an efficient inhibitor for Anammox activities and concentrations between 0.4 - 0.64 mg O2 /l can lead to complete inhibition of Anammox activity. However, this process is reversible. Finally, the implication of this inhibition kinetic results might be important in tracing the distribution of Anammox processes in natural environments where fixed nitrogen is present.
NITROLIMIT hat gezeigt, dass nicht nur Phosphor (P), sondern auch Stickstoff (N) eine relevante Steuergröße des Phytoplanktons und damit des ökologischen Zustandes von Gewässern darstellt. Eine Minderung der N-konzentration lässt insbesondere für viele Flachseen und Flussseen eine Verbesserung des ökologischen Zustandes erwarten. Bedenken, wonach Maßnahmen zur Minderung der N-konzentrationen in Gewässern nicht zielführend sind, weil sie durch N2-Fixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden oder weil sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von P aus den Gewässersedimenten steigern, konnten für die Untersuchungsgewässer in NITROLIMIT weitgehend ausgeräumt werden.
N2-fixierende Cyanobakterien (Nostocales) gelangen nicht oder nur selten zur Dominanz und ihr Beitrag zum jährlichen Eintrag von Stickstoff ist gering. Langfristig führt eine Senkung der N-Fracht jedoch zu einer Abnahme ihres Biovolumens. Nitrat beeinflusst die Bindung bzw. Freisetzung von P aus dem Sediment meist nur in geringem Maße. Hier spielen andere Prozesse (redoxunabhängige P‐Bindungsmechanismen), an denen Nitrat nicht beteiligt ist, eine größere Rolle. Auf den ökologischen Zustand von Fließgewässern wie der Elbe hätte eine N-Reduktion zunächst keinen Einfluss, da andere Faktoren die Biomasse des Phytoplanktons begrenzen. Eine Verminderung der N-Einträge in Fließgewässer ist dennoch anzustreben, um den trophischen Zustand der Küstengewässer zu verbessern. NITROLIMIT konnte zeigen: Stickstoffreduktion ist ökologisch sinnvoll.
Da sich eine große Zahl von Seen in Deutschland nicht im guten ökologischen Zustand befindet, sind weitere Anstrengungen notwendig, um die Ziele der EU‐WRRL zu erreichen. Dabei sollten auch Maßnahmen zur Reduktion der N‐Einträge berücksichtigt werden. Hier schließt sich die Frage an, ob N‐Reduktion wirtschaftlich vertretbar ist. In drei Fallstudien wurden Möglichkeiten, Kosten, Nutzen und Akzeptanz von N-Reduktionsmaßnahmen analysiert. Am Beispiel der Berliner Unterhavel wurden Kosten für N‐Reduktionsmaßnahmen mit dem Nutzen in Form der Zahlungsbereitschaft von Bürgern für den guten ökologischen Zustand gegenübergestellt. Danach ist der Nutzen einer Verbesserung der Gewässergüte größer als die damit verbundenen Kosten. Auch der Wert der Gewässer für Freizeit und Erholung spricht für weitere Bemühungen. Für Gewässer in Berlin wurde belegt, dass urbane Maßnahmen zur Nährstoffreduktion Erfolge zeigen, aber häufig nicht zum Erreichen des guten ökologischen Zustandes ausreichen. Für ein ländliches Einzugsgebiet (Storkower Seenkette) wurde gezeigt, dass für die Verbesserung des ökologischen Zustandes vor allem N-Einträge aus landwirtschaftlichen Flächen reduziert werden müssen. Möglichkeiten hierzu bestehen durch eine Ausweitung der Umsetzung von Agrarumweltmaßnahmen. In Brandenburg und Berlin wurden jedoch entsprechende Fördermöglichkeiten bisher nicht ausgeschöpft. Hier gilt es daher, die Rahmenbedingungen und die Anreize zur Teilnahme zu verbessern.
Das Positionspapier stellt die wichtigsten Ergebnisse des NITROLIMIT Projekts für Fachkollegen aus Wissenschaft und Praxis sowie für alle, die sich für Gewässerökologie interessieren, kompakt zusammen. Aufgrund der Kürze können nicht alle Teilergebnisse, methodischen Details oder ein kompletter Literaturüberblick gegeben werden. Eine ausführliche Darstellung aller Teilstudien ist jedoch in den Abschlussberichten von NITROLIMIT I und NITROLIMIT II zu finden. Zudem wurden ausgewählte Ergebnisse in Form von Diskussionspapieren und wissenschaftlichen Publikationen bereits veröffentlicht. Eine komplette Publikationsliste ist ab Seite 44 zu finden.
Die Verantwortung für den Inhalt der einzelnen Kapitel des Positionspapiers liegt bei den Autoren.
Die Konzentration von Gesamt-DON betrug in den vier Modellseen im Jahresdurchschnitt 0.54 mg L-1 und übertraf damit die mittleren Konzentrationen von DIN (0.11-0.35 mg L-1) in allen Modellseen außer der Unterhavel. Huminstoffe und hochmolekulare Substanzen machen mit 80 - 93% den größten Anteil von DON aus, gefolgt von Harnstoff mit 6 - 16%. Die Konzentrationen von Aminosäuren sind so gering, dass ihnen im Folgenden keine weitere Bedeutung zugemessen wird.
Die DON-Verbindungen sind innerhalb der einzelnen Gewässer über alle vier Jahreszeiten nahezu konstant. Dagegen zeigen die DIN-Verbindungen, besonders Nitrat, ein saisonales Muster. Sie erreichen im Winter ihre höchsten Konzentrationen und liegen im Sommer im Bereich der Nachweisgrenze. Daher ist der relative Anteil von DON-Verbindungen an der TN-Konzentration im Sommer deutlich höher. Von den DIN-Verbindungen Nitrat und Ammonium weiß man, dass sie von Algen für ihr Wachstum gut genutzt werden können. Sie werden beim Aufbau der Algenbiomasse bis zum Sommer nahezu aufgebraucht, weshalb sie im Sommer häufig nicht mehr nachweisbar sind. Daher tritt nach unseren bisherigen Untersuchungen besonders im Sommer in vielen Gewässern eine Begrenzung der Algen-biomasse durch Stickstoff auf (NITROLIMIT Diskussionspapier, Band 1). Allerdings könnten die Algen von den weiterhin reichlich vorhandenen DON-Verbindungen profitieren, wenn sie diese nutzen können. Unsere Studie zeigte, dass die verschiedenen DON-Verbindungen in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen und unterschiedlich durch Algen nutzbar sind. Mit zunehmender Komplexität der DON-Verbindungen nimmt die Nutzbarkeit durch Algen ab. Als am besten nutzbar erwies sich Harnstoff. Dessen relativ konstante Konzentration im Jahresverlauf trotz seiner guten Nutzbarkeit ist überraschend und am ehesten durch rasche Nachlieferung, etwa durch bakteriellen Abbau höhermolekularer N-Verbindungen, erklärbar.
Die Nutzbarkeit von Huminstoffen hängt laut unseren ersten Untersuchungen auch von deren Ursprung und Alter ab. Während die frisch aus der Kläranlage Waßmannsdorf kommenden Huminstoffe von Algen für ihr Wachstum genutzt wurden, waren die schon länger in den untersuchten drei Seen befindlichen Huminstoffe kaum noch nutzbar.
Der hohe Anteil von Huminstoffen und hochmolekularen Substanzen am TN könnte eine Ursache für die große Variabilität der TN-Zielwerte zum Erreichen des guten ökologischen Zustandes sein (NITROLIMIT Diskussionspapier, Band 1). Diese Substanzen können überwiegend nicht gut von Algen zum Aufbau von Biomasse genutzt werden und führen daher bei der Analyse des Zusammenhangs zwischen Biomasse und TN zu einer erhöhten Streuung (der TN-Zielwert wird hierbei über eine Regressionsanalyse zwischen Biomasse und der TN-Konzentration abgeleitet). Theoretisch sollten die Konzentrationen aller DON-Verbindungen, die nicht durch Algen nutzbar sind, von der TN-Konzentration subtrahiert werden. Die so kalkulierten Konzentrationen von durch Algen nutzbarem Stickstoff sollten einen besseren statistischen Zusammenhang mit der Algenbiomasse aufweisen als TN. Damit könnte die Streuung der Stickstoff-Zielwerte vermindert werden. Allerdings werden derartige Auswertungen erst möglich, wenn die Datenbasis zu algenverfügbaren DON-Verbindungen auf ähnlichem Niveau ist wie die zu DIN und TN. Zu letzteren liegen Daten für hunderte von Seen über mehrere Jahre vor, während Daten zu DON hier erstmals für vier Gewässer erhoben wurden.
In NITROLIMIT wurde die bisher größte Datenbank zu Gewässergüteparametern aus 373 natürlichen Seen der norddeutschen Tiefebene zusammengestellt.
Die Auswertung dieser Daten zeigte:
• Der größte Teil der Seen befindet sich in einem mäßigen bis schlechten ökologischen Zustand.
• Sowohl Stickstoff als auch Phosphor sind eng mit der Phytoplanktonbiomasse korreliert. Als Prädiktor für N- bzw. P-Limitation wurde ein DIN:TP-Massenverhältnis von 1,6 ermittelt.
• N-Limitation tritt fast genauso häufig auf wie P-Limitation, wobei seentypspezifische und saisonale Limitationsmuster auftreten: N-Limitation tritt häufiger in flachen durchmischten Seen und Flussseen auf, und P-Limitation häufiger in tiefen geschichteten Seen. Im Verlauf der Vegetationsperiode findet häufig ein Wechsel von P-zu N-Limitation statt und zudem nimmt die Häufigkeit von anderen Limitationszuständen (beispielsweise Licht und Temperatur) zu.
• Die ermittelten TN- und TP-Zielwerte zum Erreichen der oberen Grenze der ökologischen Zustandsklasse „gut“ reichen für die verschiedenen Seentypen von 480-800 μg L-1 TN und 22-66 μg L-1 TP.
• Die derzeitigen TN- und TP-Konzentrationen in den Seentypen überschreiten die oben genannten Zielwerte in den meisten Fällen deutlich. Dies trifft insbesondere auf die TN-Konzentrationen zu. Der große Anteil von Seen mit einem mäßigen bis schlechtem ökologischem Zustand zeigt, dass zur Umsetzung der WRRL weitere Anstrengungen unternommen werden müssen.
Dabei bekräftigen unsere Ergebnisse, nach denen P-Limitation etwas häufiger als N-Limitation auftritt, die derzeitige Strategie, durch Maßnahmen zur Reduktion der Phosphoreinträge eine Verbesserung des ökologischen Zustandes herbeizuführen. Unserer Ansicht nach sollte diese Strategie fortgeführt werden, wobei auch strengere Reduktionsziele für Phosphoreinträge zu erwägen sind.
In arid countries, reclaimed water in irrigation is a widespread practice. Therefore, robust treatment designs are prerequisite to obtain effluent quality that conforms to the legal requirements for reuse and health standards. Vertical flow constructed wetlands (VFCWs) are attractive decentralized treatment plants in many countries and communities. VFCWs are capable of providing adequate treatment for organic and solids removal, even though there are limitations on nutrient and pathogen removal. Within this study, various VFCW systems were investigated, in Germany and Jordan, to optimize nitrogen removal using sustainable and low cost options to guarantee the safe reuse in Jordan.
In Germany at Langenreichenbach research facility, two-stage VFCWs planted (Phragmites australis) and unplanted were evaluated and modified to compare the role of plants over two years. Generally, there was no significant role of plants on the treatment performance. Both systems showed high removal efficiency for TOC, BOD5, and TSS over the study period. During the first year of the study, effluent TN concentrations ranged from 60 - 61 mg/L in both systems as a result of high effluent NO3--N concentrations (50 - 52 mg/L). In the second year, the systems were modified, adopting a saturated layer in the 1st stage to enhance denitrification. Average effluent TN concentrations were reduced to 45 mg/L in both systems. In addition, during modifications, the E.coli removal was enhanced in both systems achieving 4 log reduction instead of 2 log reduction during the first year of the study.
In Jordan at the Fuhais research facility, two VFCW systems were studied considering category-A (TN: 45 mg/L and NO3-N: 30 mg/L) in the Jordanian Standards for reuse in irrigation (JS 893/2006). Recirculating (ECO-1) and Multi-stage (ECO-2) VFCW designs have shown high removal efficiency of COD, TSS, and BOD5 over three years of monitoring. ECO-1 system combines simultaneous nitrification and denitrification by recycling portion of nitrified effluent into the recirculation tank. However, effluent TN and NO3--N concentrations were 55 and 44 mg/L, respectively, that the system conformed to the JS category-B (TN: 70 mg/L and NO3-N: 45 mg/L) during monitoring phase. Therefore, ECO-1 was modified by installing plastic media in the recirculation tank that attached growth increases the abundance and activity of microorganisms. TN concentration was reduced effectively of 40 mg/L, conforming to the JS category-A, whereas, NO3--N concentration was reduced to 37 mg/L, conforming to the JS category-B. However, over the study period, E.coli concentrations were conformed to the JS category-C (more than 1000 MPN/100 mL).
ECO-2 consists of two unsaturated VFCWs in series; single-pass unplanted filter followed by planted filter (Phragmites australis). E.coli removal was relatively high before modification that the effluent conformed to the JS (category-B: 1000 MPN/100 mL), achieving 4.4 log reduction. The effluent TN and NO3--N concentrations did not conform to the JS of 77 and 76 mg/L, respectively, due to insufficiency of carbon source to promote denitrification (high BOD5 removal) during monitoring phase of the study. Thus, ECO-2 was modified adopting raw wastewater step-feeding strategy that a specific volume of raw wastewater was mixed with 1st stage effluent in the mixing tank. TN and NO3--N concentrations were reduced to 52 and 50 mg/L, respectively; conforming to the JS category-B. Whereas, E.coli removal was influenced by E.coli ingress from raw step-feeding, achieving 3.5 log reduction, conforming to the JS category-C.
The short-term impact of irrigation with different water quality and quantity was investigated at the Fuhais site. Soil physicochemical and biological properties in three parallel experimental reuse plots were investigated. The plots were cultivated with lemon trees and were irrigated via a subsurface irrigation system. Moreover, each plot was divided into two subparts (A and B) whereby one part received 11 mm/day of irrigation water and the other received 6 mm/day. Using treated effluent and tap water showed the same trend of increased soli salinity (ECs). Significant difference in ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, and Na+ were observed at 0-20 cm as a result of high evaporation and capillary rise that increased salts accumulation in the topsoil. However, using more water reduced the salts accumulation in sub soil layers due to continuous leaching. Whereas, results showed no significant variation in soil texture, structure, moisture, and infiltration rate among reuse plots and subparts. Additionally, results revealed an absence of total coliform, fecal coliform, and E.coli in the irrigated soils, indicating the effectiveness of using subsurface irrigation as a disinfection step for reuse.
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 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.
Wachstumsphänomene und Stickstoffdotierung bei der Sublimationszüchtung von 6H-Siliciumcarbid
(2001)
Die Keimoberfläche ist durch das Vorhandensein einer Störschicht charakterisiert, die durch die mechanische Kristallbearbeitung hervorgerufen wird. Diese Schicht kann die Ursache für zusätzliche Defekte sein. Die Untersuchungen der Oberflächenmorphologie zeigen, daß ein Überschuß an Silicium im Quellmaterial notwendig ist, um ein defektfreies Wachstum in den ersten Stadien zu ermöglichen. Sowohl ein Oxidationsschritt vor dem Wachstum als auch die Anwendung von fehlorientierten Keimen führten nicht zum gewünschten Stufenfluß. Im Konzentrationsbereich von 1x10^18 <= c_N (cm^-3) <= 3x10^19 wurden 6H-SiC-Einkristalle gezüchtet, sowohl auf (0001)- als auch (000-1)-Keimen. Der Einbau von Stickstoff bewirkt das Absinken der Wachstumsgeschwindigkeit, was mit dem ''site-competition''-Modell erklärt werden kann. Die Sättigung der Stickstoffkonzentration im Kristall in Abhängigkeit vom N_2/Ar-Verhältnis konnte durch eine Langmuir-Isotherme beschrieben werden. Die Polarität der Keimoberfläche beeinflußt den Stickstoffeinbau. Die Stickstoffkonzentration im gewachsenen Kristall ist auf der C-terminierten Fläche ca. doppelt so hoch wie auf der Si-terminierten. Es wurde gezeigt, daß die Oberflächenmorphologie zusätzlich zur Keimpolarität den Stickstoffeinbau beeinflußt.