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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.show moreshow less
  • 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.show moreshow less

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Metadaten
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):CC BY
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