Elucidation of the Relationships between the Biotransformation of Micropollutants in Biological Treatment Processes, the Process Conditions, and the Composition of Microbial Communities
- Water is the basis of all life, a biotope for a variety of organisms and an important component of the
natural balance. For this reason, it is essential to protect water from contamination by anthropogenic
organic micropollutants (MPs) and to develop various innovative strategies for the treatment and reuse
of wastewater. Conventionally biologically treated municipal wastewater contains many organic MPs
that pose a potential threat to aquatic ecosystems and drinking water resources. To date, the focus has
been on physicochemical processes such as activated carbon treatment or ozonation to improve the
removal of MPs in wastewater treatment plants (WWTPs), while knowledge of biological removal
processes and ways to optimize the biological removal of organic MPs is comparatively limited.
Especially in arid and semi-arid regions,Water is the basis of all life, a biotope for a variety of organisms and an important component of the
natural balance. For this reason, it is essential to protect water from contamination by anthropogenic
organic micropollutants (MPs) and to develop various innovative strategies for the treatment and reuse
of wastewater. Conventionally biologically treated municipal wastewater contains many organic MPs
that pose a potential threat to aquatic ecosystems and drinking water resources. To date, the focus has
been on physicochemical processes such as activated carbon treatment or ozonation to improve the
removal of MPs in wastewater treatment plants (WWTPs), while knowledge of biological removal
processes and ways to optimize the biological removal of organic MPs is comparatively limited.
Especially in arid and semi-arid regions, treated wastewater is also an important resource for wastewater
reuse for irrigation or drinking water treatment. In consequence of increasing droughts due to climate
change, the reuse of treated wastewater is also increasingly being discussed in Germany. Often the water
is reused after targeted groundwater recharge, while concepts for optimizing the removal of MPs during
soil passages are still scare. In order to assess the potential and limitations of biological wastewater
treatment as well as targeted groundwater recharge for the removal of organic MPs, a better knowledge
of the biological biotransformation processes and the environmental conditions influencing them is
required. Microbial communities and their enzyme pools play a key role in these processes. However,
the influence of environmental conditions on the composition and functional characteristics of microbial
communities, and how this in turn affects the biotransformation potential of MPs with different
structural characteristics, has been little studied. In addition, knowledge about MP-biotransforming
bacteria is often derived from enrichment or even pure culture studies, which are not directly transferable
to the environment.
Against this background, this dissertation focuses on the systematic investigation of the
biotransformation of MPs in contact with activated sludge (simulation of biotransformation processes
in biological treatment stages of WWTPs) and filter materials (simulation of processes in groundwater
recharge systems) under defined laboratory conditions. The aim is to elucidate relationships between
the composition and functional characteristics of microbial communities, microbiologically determined
biotransformation processes and their optimal process conditions, as well as the chemical structure and
primary enzymatically catalyzed biotransformation reactions of MPs.
The first part of the work focuses on the composition of microbial communities and the
biotransformation of MPs depending on defined process parameters in five differently operated
wastewater reactors, divided into two reactor cascades at pilot scale and one full-scale WWTP. The first
cascade consisted of three reactors, the first of which served as a reference reactor with conventional
activated sludge (CAS) treatment. The following reactors operate under anoxic to anaerobic and strictly
anaerobic conditions, respectively. The other cascade consists of two reactors, the first anaerobic and the second aerobic, followed by a simplified vessel to prevent nitrate output, as half of the effluent was
recirculated to the first anaerobic reactor. All five reactors and the WWTP were analyzed for the
biotransformation of 33 MPs and the composition of the microbial community by LC-MS/MS and 16S
rRNA gene sequencing, respectively. The results showed a slight but significant improvement in the
overall biotransformation of MPs in the reactor cascades (about 20%) compared to the WWTP. In
particular, the biotransformation of compounds that are not or only slightly degradable (< 30%) in
conventional wastewater treatment, such as diatrizoate, venlafaxine and diclofenac, was significantly
improved (about 70%). Twelve of the 33 MPs showed an increase in biotransformation of at least 30%
compared to the reference reactor and the WWTP. In detail, the reactor cascade consisting of the
anaerobic pre-treatment showed three times more MPs than the reactor cascade with the anaerobic post-
treatment. Although the environmental conditions (nutrient availability and redox conditions) differed
considerably between the reactors, molecular analysis of the microbial community revealed a core
community of 143 genera, with 54% of the taxa belonging to the phylum Proteobacteria, with the beta
subdivision as the most dominant class. On the other hand, a specialized community consisting of 90
genera was identified that contributed most to the differences between the reactor communities. These
genera were shown to reflect the prevailing nutrient, redox and operating conditions of each treatment.
It was also found that the relative abundances of several genera of the specialized community correlated
with the biotransformation of certain MPs as well as with process parameters (especially redox
conditions). These genera may not necessarily be directly involved in the biotransformation of MPs, but
could be promising biological indicators for the establishment and control of operating conditions
favorable to the biotransformation of certain MPs. For the two reactor cascades analyzed, it was
concluded that the redox conditions as well as the carbon supply were essential factors for the
composition of the specialized community and the biotransformation of the MPs. In addition, the 16S
rRNA gene amplicon sequencing proved to be a complementary tool to confirm process conditions by
correlation. In conclusion, the efficiency of MP biotransformation in conventional WWTPs depends on
key parameters such as redox conditions, biodiversity or the presence of several genera of specialized
microbial communities identified as indicator organisms.
Against the background of previous knowledge that biofilms from moving bed biofilm reactors
(MBBRs), which have been used so far in a few WWTPs, are more efficient in biotransforming certain
MPs, the second study used laboratory batch experiments to investigate the extent to which the
biotransformation potential of carrier-attached biofilms and suspended sludge from hybrid MBBRs
differ between three WWTPs, and whether these differences were also reflected in the composition of
the bacterial communities. The 31 MPs investigated were grouped according to their biotransformation
rates and examined for relationships between the biotransformation behavior and the known primary
biotransformation reactions are discernible. In general, the study confirmed the potential of hybrid
MBBRs for improved biotransformation of a variety of MPs. This could be attributed to an increased
biotransformation potential of the carrier-attached biofilms, especially for oxidatively degradable substances such as trimethoprim, diclofenac and mecoprop. Correlation analyses showed statistically
significant relationships between the occurrence of certain bacterial genera (e.g. Acidibacter, Nitrospira
or Rhizomicrobium) and the biotransformation rates of certain MPs. Thus, some of the identified genera
were also discussed as suitable indicators for the biotransformation potential of suspended sludge or
carrier-attached biofilm.
In the third part of the work, the biotransformation of up to 78 MPs was investigated under different
redox and substrate conditions in a defined column system at laboratory scale as well as ex situ under
uniform incubation conditions by incubating the column filter material in batch experiments. MPs were
categorized based on their biotransformation behavior and how well these categories matched primary
transformation reactions known from the literature or predicted using the Eawag pathway prediction
system for modelling microbial biotransformation pathways. The column system investigated consisted
of two large columns filled with technical sand, an intermediate aeration and four smaller columns, all
connected in series. In the first column, characterized by a carbon-rich environment with high biomass
and strong oxygen depletion, 23 MPs were efficiently removed (>80% removal), while 19 substances
were better or exclusively removed under carbon-limited oligotrophic conditions in the columns after
re-aeration. While the MPs removed predominantly in the first column were mostly attributed to
biotransformation by comparatively ubiquitous and fast transformation reactions such as the oxidation
of alcohols or amide hydrolysis, the biotransformation of MPs removed more efficiently under the oxic
and oligotrophic conditions in the rear columns was characterized by slower transformation reactions
such as N-dealkylation of primary and secondary amines or the hydroxylation of aromatic rings. In
addition, several specific reactions described in the literature, such as the cleavage of C-Cl and C-O
bonds, could only be identified under oligotrophic conditions. The results suggest that conditions of
limited carbon availability may favor the development of alternative metabolic biotransformation
pathways. Furthermore, the observed association between system-specific MP removal and the expected
primary biotransformation reactions from the literature and prediction systems could serve as a basis for
accurately identifying the relevant enzymes in future studies, using metagenomic or metatranscriptomic
data.
Based on these considerations, molecular biological investigations were carried out in the fourth part of
this work by generating sequence-based data complementary to the biotransformation rate constants
during the batch experiments carried out in the third study. A first aim was to identify a statistical relation
between the microbial composition, the process conditions and the nutrient availability as well as the
biotransformation potential of 42 MPs depending on the biomass in the columns of the system.
Furthermore, the metabolic activities of the microbial communities of the first two columns of the
system were analyzed and the identified active enzymes were assigned to known metabolic pathways
and the activities were compared. In addition, the extent to which the biotransformation potential of the
columns was also reflected in the activity of enzymes that have been proven to belong to biotransformation pathways of MPs was investigated. To this end, modern sequencing methods were
used to generate data on the composition of the microbial community (16S rRNA gene sequencing) and
its actual activity in the form of expressed genes (metatranscriptome sequencing). The biotransformation
rates from the batch experiments of the third study were used by normalizing them with the gene copy
numbers (kbio), which were representative of the biomass. For half of the MPs, the highest normalized
kbio values were identified in the rear columns with increased carbon-limiting conditions. Furthermore,
most of the MPs investigated, such as sulfathiazole, sulfamethoxazole or rufinamide, showed an
improved biotransformation potential in these columns. The higher biotransformation potential under
carbon-limiting conditions was also confirmed by metatranscriptomic analysis, where an increased
metabolic capability and a higher functional activity to degrade MPs were observed in the carbon-
limiting column compared to the first nutrient-rich column. Taxonomic analysis revealed a decreasing
trend in biodiversity with a simultaneous increase in carbon-limiting conditions. Furthermore, the
microbial community differed depending on the nutrient and process conditions of the column materials
analyzed. However, within the carbon-limiting columns, the microbial community was similar and were
dominated by the genus Pseudomonas. By relating the biotransformation of MPs to the relative
abundance of taxa in the carbon-limiting columns, the genera of the phylum Acidobacteria and the
classes Alpha- and Gammaproteobacteria showed particularly high associations. In addition, four genera
showed a statistically positive correlation with the two structurally similar MPs sulfamethoxazole and
sulfathiazole.
Overall, no general improvement in biotransformation could be found for all MPs under the conditions
considered, with system- and condition-specific changes observed for individual compounds. However,
the studies indicated favorable environmental conditions for groups of MPs that showed increased
biotransformation linked with high abundant taxa, especially under carbon-limiting conditions and in
carrier-attached biofilms.…


- Wasser ist die Grundlage allen Lebens, Biotop für eine Vielzahl von Organismen und ein wichtiger
Bestandteil des natürlichen Gleichgewichts. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, Wasser vor
Verunreinigungen durch anthropogene organische Spurenstoffe zu schützen und verschiedene
innovative Strategien für die Behandlung und Wiederverwendung von Abwasser zu entwickeln.
Konventionell biologisch gereinigtes kommunales Abwasser enthält viele organische Spurenstoffe, die
eine potenzielle Gefahr für aquatische Ökosysteme und Trinkwasserressourcen darstellen. Bisher lag
der Schwerpunkt auf physikalisch-chemischen Verfahren wie Aktivkohlebehandlung oder Ozonierung,
um die Entfernung von organischen Schadstoffen in Kläranlagen zu verbessern. Dabei ist das Wissen
über biologische Entfernungsprozesse und Möglichkeiten zur Optimierung derWasser ist die Grundlage allen Lebens, Biotop für eine Vielzahl von Organismen und ein wichtiger
Bestandteil des natürlichen Gleichgewichts. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, Wasser vor
Verunreinigungen durch anthropogene organische Spurenstoffe zu schützen und verschiedene
innovative Strategien für die Behandlung und Wiederverwendung von Abwasser zu entwickeln.
Konventionell biologisch gereinigtes kommunales Abwasser enthält viele organische Spurenstoffe, die
eine potenzielle Gefahr für aquatische Ökosysteme und Trinkwasserressourcen darstellen. Bisher lag
der Schwerpunkt auf physikalisch-chemischen Verfahren wie Aktivkohlebehandlung oder Ozonierung,
um die Entfernung von organischen Schadstoffen in Kläranlagen zu verbessern. Dabei ist das Wissen
über biologische Entfernungsprozesse und Möglichkeiten zur Optimierung der biologischen Entfernung
organischer Schadstoffe vergleichsweise gering.
Insbesondere in ariden und semiariden Regionen ist gereinigtes Abwasser auch eine wichtige Ressource
für die Wiederverwendung von Abwasser zur Bewässerung oder Trinkwasseraufbereitung. Vor dem
Hintergrund zunehmender Dürreperioden aufgrund des Klimawandels wird die Wiederverwendung von
gereinigtem Abwasser auch in Deutschland zunehmend diskutiert. Oft wird das Wasser nicht direkt,
sondern nach gezielter Grundwasseranreicherung wiederverwendet. Dabei werden Konzepte benötigt,
um die Entfernung von Spurenstoffen bei Bodenpassagen zu optimieren. Um das Potenzial als auch die
Grenzen der biologischen Abwasserreinigung sowie der gezielten Grundwasseranreicherung zur
Entfernung organischer Spurenstoffe abschätzen zu können, bedarf es insbesondere einer besseren
Kenntnis der biologischen Abbauprozesse und der sie beeinflussenden Umweltbedingungen. Eine
Schlüsselrolle nehmen dabei die mikrobiologischen Gemeinschaften und deren Enzympool ein. Der
Einfluss der Umweltbedingungen auf die Zusammensetzung und die funktionellen Eigenschaften der
mikrobiellen Gemeinschaften und die Frage, wie sich dies wiederum auf das Potential zum Abbau von
organischen Spurenstoffen mit unterschiedlichen Strukturmerkmalen auswirkt, ist bisher allerdings nur
sehr wenig untersucht. Darüber hinaus stammt das Wissen über schadstoffabbauende Bakterien häufig
aus Studien mit Anreicherungs- oder sogar Reinkulturen, die nicht direkt auf die Umwelt übertragbar
sind.
Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Dissertation im Kern mit systematischen Untersuchungen
des Abbaus von organischen Spurenstoffen in Kontakt mit Belebtschlamm (Simulation von
Abbauprozessen in biologischen Behandlungsstufen von Kläranlagen) und Filtermaterialien
(Simulation von Vorgängen bei der Grundwasseranreicherung) unter definierten Laborbedingungen.
Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung und den funktionellen Eigenschaften
mikrobieller Gemeinschaften, den mikrobiologisch determinierten Abbauprozessen und deren
optimalen Prozessbedingungen, sowie der chemischen Struktur und primären enzymatisch katalysierten
Biotransformationsreaktionen von Spurenstoffen aufzuklären. Der erste Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften
und die Biotransformation von Spurenstoffen in Abhängigkeit von definierten Prozessparametern in
fünf unterschiedlich betriebenen Abwasserreaktoren, welche auf zwei Reaktorkaskaden im
Pilotmaßstab und eine großtechnische Kläranlage aufgeteilt wurden. Die erste Kaskade bestand aus drei
Reaktoren, von denen der erste als Referenzreaktor mit konventioneller Belebtschlammbehandlung
diente. Die anderen Reaktoren liefen unter anoxischen bis anaeroben bzw. streng anaeroben
Bedingungen. Die zweite Kaskade bestand aus zwei Reaktoren, der erste unter anaeroben und der zweite
unter aeroben Bedingungen, gefolgt von einem vereinfachten Behälter zur Vermeidung eines
Nitrataustritts, da die Hälfte des Abwassers in den ersten anaeroben Reaktor zurückgeführt wurde. Alle
fünf Reaktoren und die Kläranlage wurden auf die Biotransformation von 33 Spurenstoffen und die
Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft mittels LC-MS/MS bzw. 16S rRNA-
Gensequenzierung untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine leichte, aber signifikante Verbesserung der
Gesamtentfernung der Spurenstoffe in den Reaktorkaskaden (etwa 20 %) im Vergleich zur Kläranlage.
Insbesondere die Biotransformation von Verbindungen, die in der herkömmlichen Abwasserbehandlung
nicht oder nur geringfügig abbaubar sind (< 30 %), wie Diatrizoat, Venlafaxin und Diclofenac, wurde
deutlich verbessert (etwa 70 %). Zwölf der 33 Spurenstoffe wiesen im Vergleich zum Referenzreaktor
und zur Kläranlage eine Steigerung der Biotransformation um mindestens 30 % auf. Im Einzelnen wies
die Reaktorkaskade mit der anaeroben Vorbehandlung dreimal mehr Spurenstoffe mit einem deutlich
verbesserten Abbau auf als die Reaktorkaskade mit der anaeroben Nachbehandlung. Obwohl sich die
Umweltbedingungen (Nährstoffverfügbarkeit und Redoxbedingungen) zwischen den Reaktoren
erheblich unterschieden, ergab die molekulare Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft eine
Kerngemeinschaft von 143 Gattungen, wobei 54 % der Taxa dem Stamm der Proteobakterien
angehörten und die Betaproteobacteria die dominierende Klasse darstellte. Im Gegensatz dazu wurde
eine spezialisierte Gemeinschaft aus 90 Gattungen identifiziert, die am stärksten zu den Unterschieden
zwischen den Reaktorgemeinschaften beitrug. Diese Gattungen spiegelten nachweislich die
vorherrschenden Nährstoff-, Redox- und Betriebsbedingungen der jeweiligen Behandlung wider. Es
wurde auch festgestellt, dass die relative Abundanz mehrerer Gattungen der spezialisierten
Gemeinschaft mit der Biotransformation bestimmter Spurenstoffe sowie mit Prozessparametern
(insbesondere Redoxbedingungen) korreliert. Diese Gattungen sind nicht unbedingt direkt an der
Biotransformation von Spurenstoffen beteiligt, könnten aber vielversprechende biologische Indikatoren
für die Festlegung und Kontrolle von Betriebsbedingungen sein, die für die Biotransformation
bestimmter Spurenstoffe günstig sind. Für die beiden untersuchten Reaktorkaskaden wurde festgestellt,
dass die Redoxbedingungen sowie die Kohlenstoffversorgung wesentliche Faktoren für die
Zusammensetzung der spezialisierten Gemeinschaft und die Biotransformation der Spurenstoffe waren.
Darüber hinaus erwies sich die 16S-rRNA-Gensequenzierung als ergänzende Methode zur Bestätigung
von Prozessbedingungen durch Korrelation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Effizienz der
Biotransformation von Spurenstoffen in konventionellen Kläranlagen von Schlüssel-parametern wie Redoxbedingungen, Biodiversität sowie dem Vorhandensein mehrerer Gattungen spezialisierter
mikrobieller Gemeinschaften abhängt, die als Indikatororganismen identifiziert wurden.
Vor dem Hintergrund der bisherigen Kenntnisse, dass Biofilme von bisher in wenigen Kläranlagen
eingesetzten Schwebebett-Biofilm-Verfahren (MBBR) bestimmte organische Spurenstoffe effizienter
abbauen können, wurden in der zweiten Studie im Rahmen von Labor-Batchexperimenten untersucht,
inwieweit sich das Biotransformationspotential der Biofilme und des suspendierten Schlamms von
hybriden MBBRs aus drei Kläranlagen unterscheiden und sich diese Unterschiede auch in der
Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften widerspiegeln. Darüber hinaus wurden die 31
untersuchten organischen Spurenstoffe hinsichtlich ihres Abbauverhaltens gruppiert und untersucht, ob
Zusammenhänge zwischen den bekannten primären Transformationsreaktionen und dem Abbau-
verhalten erkennbar sind. Im Allgemeinen bestätigte die Studie das Potenzial von hybriden MBBRs für
eine verbesserte Biotransformation einer Vielzahl von Spurenstoffen. Dies konnte auf ein erhöhtes
Biotransformationspotenzial der an den Träger gebundenen Biofilme zurückgeführt werden,
insbesondere für oxidativ abbaubare Substanzen wie Trimethoprim, Diclofenac und Mecoprop. Wie in
der ersten Studie zeigten Korrelationsanalysen statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen dem
Vorkommen bestimmter Bakteriengattungen (z.B. Acidibacter, Nitrospira oder Rhizomicrobium) und
den Biotransformationsraten bestimmter Spurenstoffe. Einige der identifizierten Gattungen wurden
daher auch als geeignete Indikatoren für das Biotransformationspotenzial von suspendiertem Schlamm
oder trägergebundenem Biofilm diskutiert.
Im dritten Teil der Arbeit wurde die Biotransformation von bis zu 78 Spurenstoffen unter verschiedenen
Redox- und Substratbedingungen in einem definierten Säulensystem im Labormaßstab sowie ex situ
unter einheitlichen Inkubationsbedingungen durch Inkubation des Säulenfiltermaterials in Batch-
experimenten untersucht. Die Spurenstoffe wurden anhand ihres Biotransformationsverhaltens danach
gruppiert, wie gut diese Kategorien mit denen aus der Literatur bekannten oder mittels eines Systems
zur Modellierung von mikrobiellen Abbauwegen (Eawag pathway prediction system) vorhergesagten
primären Transformationsreaktionen übereinstimmen. Das untersuchte Säulensystem bestand aus zwei
großen Säulen gefüllt mit technischem Sand, einer Zwischenbelüftung und vier kleineren Säulen, die
alle in Reihe geschaltet waren. In der ersten Säule, die durch eine kohlenstoffreiche Umgebung mit
hoher Biomasse und starker Sauerstoffzehrung charakterisiert war, wurden 23 Spurenstoffe effizient
entfernt (> 80 % Entfernung), während 19 Substanzen unter kohlenstofflimitierten oligotrophen
Bedingungen in den Säulen nach der Wiederbelüftung besser oder ausschließlich entfernt wurden.
Während die in der ersten Säule überwiegend entfernten Spurenstoffe zumeist auf die Biotransformation
durch vergleichsweise ubiquitäre und schnelle Umwandlungsreaktionen wie die Oxidation von
Alkoholen oder die Amidhydrolyse zurückgeführt wurden, war die Biotransformation der unter den
oxischen und oligotrophen Bedingungen in den hinteren Säulen effizienter entfernten Spurenstoffe
durch langsamere Transformationsreaktionen wie die N-Dealkylierung primärer und sekundärer Amine oder die Hydroxylierung aromatischer Ringe gekennzeichnet. Außerdem konnten mehrere in der
Literatur beschriebene substratspezifische Reaktionen wie die Spaltung von C-Cl- und C-O-Bindungen
nur unter oligotrophen Bedingungen identifiziert werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass kohlenstoff-
limitierende Bedingungen die Etablierung alternativer metabolischer Abbauwege begünstigen können.
Zudem können die Erkenntnisse der Zusammenhänge zwischen der systemspezifischen Spurenstoff-
entfernung und den erwarteten primären Transformationsreaktionen aus der Literatur und
Vorhersagesystemen zukünftig als Basis für eine möglichst gezielte Identifizierung der relevanten
Enzyme auf der Grundlage von metagenomischen oder metatranskriptomischen Daten dienen.
Basierend auf diesen Überlegungen wurden im vierten Teil dieser Arbeit molekularbiologische
Untersuchungen durchgeführt, bei denen komplementär zu den Abbaukonstanten sequenzbasierte Daten
während der durchgeführten Batchexperimente der dritten Studie generiert wurden. Ein erstes Ziel war
es einen statistischen Zusammenhang zwischen der mikrobiellen Zusammensetzung, den
Prozessbedingungen und der Nährstoffverfügbarkeit als auch des Abbaupotentials in Abhängigkeit der
Biomasse in den Säulen des Systems zu identifizieren. Des Weiteren wurden die metabolischen
Aktivitäten der mikrobiellen Gemeinschaften der ersten beiden Säulen des Systems untersucht, die
identifizierten aktiven Enzyme den bekannten Stoffwechselwegen zugeordnet, sowie die Aktivitäten
verglichen. Zusätzlich wurde untersucht inwiefern sich das Abbaupotential der Säulen auch in der
Aktivität von Enzymen widerspiegelt, die nachweislich zu Abbauwegen von Spurenstoffen gehören.
Dazu wurden moderne Sequenziermethoden angewandt, bei denen Daten über die Zusammensetzung
der mikrobiellen Gemeinschaft (16S rRNA Gensequenzierung) und deren tatsächliche Aktivität in Form
von exprimierten Genen (Metatranskriptomsequenzierung) generiert wurden. Zusätzlich wurden die
Abbauraten aus den Batchexperimenten der dritten Studie verwendet, indem diese mit den
Genkopienzahlen als Indikator für die Biomasse normalisiert wurden. Für die Hälfte der Spurenstoffe
wurden die höchsten normalisierten Abbauraten in den hinteren Säulen mit erhöhten kohlenstoff-
limitierenden Bedingungen ermittelt. Darüber hinaus zeigten die meisten der untersuchten Spurenstoffe,
wie Sulfathiazol, Sulfamethoxazol oder Rufinamid, ein verbessertes Biotransformationspotenzial in
diesen Säulen. Dieses erhöhte Potenzial unter kohlenstoff-limitierenden Bedingungen wurde auch durch
eine metatranskriptomische Analyse bestätigt, bei der in der kohlenstoff-limitierenden Säule im
Vergleich zur ersten nährstoffreichen Säule eine erhöhte Stoffwechselfähigkeit und eine höhere
funktionelle Aktivität zum Abbau von Spurenstoffen festgestellt wurde. Die taxonomische Analyse
ergab einen abnehmenden Trend der Biodiversität bei gleichzeitiger Zunahme der kohlenstoff-
limitierenden Bedingungen. Darüber hinaus unterschied sich die mikrobielle Gemeinschaft in
Abhängigkeit von den Nährstoff- und Prozessbedingungen der untersuchten Säulenmaterialien.
Innerhalb der kohlenstoff-limitierenden Säulen war die mikrobielle Gemeinschaft jedoch ähnlich und
wurde von der Gattung Pseudomonas dominiert. Setzt man die Biotransformation von Spurenstoffen
mit der relativen Abzundanz von Taxa in den kohlenstoff-limitierenden Säulen in Beziehung, zeigten
die Gattungen des Stammes Acidobacteria und die Klassen Alpha- und Gammaproteobacteria besonders hohe Assoziationen. Darüber hinaus wiesen vier Gattungen eine statistisch positive Korrelation mit den
beiden strukturell ähnlichen Spurenstoffen Sulfamethoxazol und Sulfathiazol auf.
Insgesamt konnte keine allgemeine Verbesserung der Biotransformation für alle Spurenstoffe unter den
betrachteten Bedingungen festgestellt werden, wobei für einzelne Verbindungen system- und
bedingungsspezifische Veränderungen beobachtet wurden. Die Studien wiesen jedoch auf günstige
Umweltbedingungen für Gruppen von Spurenstoffen hin, die eine erhöhte Biotransformation verknüpft
mit hochabundanten Taxa zeigten, insbesondere unter kohlenstoff-limitierenden Bedingungen und in an
den Träger gebundenen Biofilmen.…


| Author: | David Wolff |
|---|---|
| URN: | urn:nbn:de:hbz:kob7-25677 |
| DOI: | https://doi.org/10.82549/opus4-2567 |
| Place of publication: | Koblenz |
| Referee: | Thomas A. Ternes, Marie-T. Hopp |
| Document Type: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Date of Publication (online): | 2025/05/27 |
| Date of first Publication: | 2025/05/27 |
| Publishing Institution: | Universität Koblenz, Universitätsbibliothek |
| Granting Institution: | Universität Koblenz, Fachbereich 3 |
| Date of final exam: | 2025/04/28 |
| Release Date: | 2025/05/27 |
| Tag: | 16S rRNA-Amplikon-Sequenzierung; Abwasser; Belebtschlamm; Biotransformation; Mikrobielle Gemeinschaft; Spurenstoffe; Verfahrensbedingungen 16S rRNA amplicon sequencing; Activated sludge; Biotransformation; Microbial community; Micropollutants; Process conditions; Wastewater |
| Page Number: | xvii, 154 Seiten |
| Institutes: | Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie |
| Licence (German): |
