Biologische Gleichgewichte in Kläranlagen

Moderne biologische Kläranlagen sind genau auf solche Gleichgewichte angewiesen. Die Funktionalität einer biologischen Abwasserreinigungsanlage ist nur dann gegeben, wenn die Mikroorganismen die in die Kläranlagen eingebrachten Stoffe abbauen und/oder umbauen, so dass die wesentlichen Parameter, wie ammoniumhaltige Verbindungen, toxische Stoffe und andere komplexe Kohlenstoffverbindungen, im Ablauf eine wesentlich geringere Konzentration besitzen als im Zulauf. Wie im menschlichen Mikrobiom fußt auch hier die Gesamtstabilität des Systems auf sogenannten "key taxa" und "mikrobiellen Gilden". Erstere, die sogenannten Schlüsselbakterien, sind wichtig, um das gesamte biologische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Die mikrobiellen Gilden wiederum sind einzelnen Funktionen zugeordnet, d. h., bestimmte Funktionen werden von einer Gruppe an Bakterien übernommen. Fallen sowohl "key taxa" als auch mikrobielle Gilden aus und können aufgrund einer geringen Diversität nicht ersetzt werden, leidet die Gesamtstabilität des Systems dramatisch, und es kann zu einem Kipppunkt-Ereignis kommen, bei dem das gesamte System kollabiert. Ein Kipppunkt ist ein plötzlicher, oft irreversibler Zusammenbruch des gesamten Systems. Dieser Verfall kann graduell verlaufen, kann aber bei extremen externen Ereignissen auch unvermittelt einsetzen.

Je diverser also eine Kläranlage ist, je mehr taxonomische Einheiten gemessen werden, desto stabiler ist sie. Dies muss nicht zwangsläufig bedeuten, dass sie auch einen optimalen Wirkungsgrad besitzt, da dieser durch die Effizienz der einzelnen mikrobiellen Populationen bestimmt wird. Aber die Resilienz steht in direkter Abhängigkeit zur Diversität.

Diese Tatsache kann nun genutzt werden, um die Anlagenkontrolle und -steuerung zu optimieren. Jede mikrobiologische Biozönose einer Anlage, also die Gesamtheit der Bakterien in einer definierten Einheit, ist einzigartig. Zwar gibt es durchaus Gemeinsamkeiten in den Populationen und ganz besonders gut sichtbare Unterschiede zwischen kommunalen und industriellen Anlagen, doch letztendlich hat jede Kläranlage ihre eigenen Hauspopulationen. 

Untersuchungen der Abwasser-Biozönose

Die Biozönose kann von zwei Seiten analysiert werden: einmal auf ihre Resilienz, dies erfolgt in der Regel durch weitmaschigere Untersuchungen, weil sich die Diversität nicht innerhalb von Stunden oder Tagen verändert, sondern eher über Wochen hinweg, und einmal auf ihre Funktionalität. Letztere kann sich innerhalb von Tagen verändern und sollte daher auch engmaschiger kontrolliert werden. Dabei ist es wichtig zu bedenken, dass eine Abwasser-Biozönose immer dynamisch ist. Mikrobielle Populationen nehmen zu, verändern sich, nehmen ab: Alles ist im Fluss. Dadurch kann sich die Biozönose innerhalb eines gewissen Bereichs selbst zu regulieren. Das ist auch notwendig, damit die mikrobielle Gemeinschaft sich kontinuierlich an wechselnde Bedingungen anpassen kann. Sind diese Einflüsse jedoch zu groß, so dass der Pufferbereich gesprengt wird, kann die Biozönose sich dauerhaft verändern und an Stabilität und Funktionalität verlieren.

Da eine vollständige und lückenlose Analyse aller beteiligten mikrobiologischen Populationen zu aufwendig und auch gar nicht sinnvoll ist, beschränkt sich ein modernes Monitoring auf die oben beschriebenen Parameter: Resilienz und Funktionalität.

Diversität und Resilienz

Die Resilienz kann durch die Bestimmung von taxonomischen Units analysiert werden. Dies erfolgt durch eine 16S-rDNA-Amplikonsequenzanalyse, bei der die Gesamtzahl aller taxonomischen Units bestimmt wird. Dabei ist zu bedenken, dass hier die Gesamtzahl und deren Veränderung über die Zeit entscheidend ist. Zwar ist in der wissenschaftlichen Literatur oft eine Quantifizierung basierend auf der 16S-rDNA-Amplikonsequenzanalyse zu finden, doch die Quantifizierung einzelner Arten über 16S-rDNA-Amplikonsequenzanalyse ist aufgrund der technologiebedingten Biases erfahrungsgemäß in Abwasseranlagen nicht immer aussagekräftig. Maximal kann eine Indikation erfolgen.

Indikatororganismen und Funktionalität der Anlage

Die Funktionalität kann wiederum durch sogenannte Indikatororganismen bestimmt werden. Ein Experte in der Abwassermikrobiologie kann aufgrund seiner Erfahrung nach Analyse von mehreren Proben eine begrenzte Anzahl von Indikatormikroorganismen festlegen, deren Verlauf stellvertretend für die Entwicklung der Gesamtbiozönose steht. Die Indikatororganismen können hierbei sowohl positiv wirkende Mikroorganismen sein, d. h. der Funktion zuträgliche Bakterien, als auch negativ wirkende, Probleme verursachende Mikroorganismen. Auch können sie nur reine begleitende Bakterien sein, die keinerlei Anteil an der Funktionalität zeigen, deren Zu- und Abnahme jedoch eng an funktionelle Mikroorganismen gebunden ist.

Hier kann die VIT®-Gensondentechnologie eingesetzt werden, eine industrialisierte und standardisierte Form der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), bei der spezifisch programmierte Gensonden in die Abwasserprobe eingeführt werden und dort an ihre Zielstellen auf den Ribosomen binden. Da an die Gensonden ein Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt ist, wird durch die spezifische Bindung auch der Farbstoff in der Zelle gehalten, und die Bakterien beginnen nach Anregung mit hochenergetischem Licht zu leuchten (s. Bilder 1 und 2). Auf diese Weise können sie spezifisch identifiziert, quantifiziert und visualisiert werden.

Gerade die Visualisierung kann interessante zusätzliche Aspekte beleuchten, da auch die Assoziation und Interaktion der bakteriellen Populationen untereinander beobachtet werden kann.