Environmental Biotechnology

Transkript

1 Bakteriesammensætning i renseanlæg Kaos eller systematik? Poul Larsen Sektion for Bioteknologi Institut for Kemi og Bioteknologi Aalborg Universitet Forsyningstræf Roskilde og Skanderborg 2012 Environmental Biotechnology En forskergruppe under som ledes af Professor Per Halkjær Nielsen. Der arbejdes med undersøgelse af identitet og funktion af bakterier i komplekse miljøer som spænder fra medicinske biofilm til spidlevandsslam. Udvikling og anvendelse af molekylærbiologiske metoder. 1

2 I programmet står der: Hvilke bakterier har I? Hvordan kan man opnå den rigtige bakterie sammensætning på renseanlægget. Omformuleres til: Hvilke bakterier har I? Hvordan kan man sikre, at den rigtige bakterie sammensætning på renseanlægget opretholdes. Program Den rigtige artssammensætning? Styrende parametre for artssammensætningen Problematiske bakterier Slam og slamflokke Den mikrobiologiske database Beskrivelse Undersøgelser Resultater Anvendelse af resultaterne Lidt om hvor den retning forskningen går herfra. 2

3 Den rigtige artssammensætning skal Omsætte opløst kulstof Rense for kvælstof og fosfor Rense for miljøfremmede stoffer Gode bundfældningsegenskaber Gode afvandingsegenskaber Sikre stabil drift Indløb Anaerob Anoxisk Aerob Bundfældning Udløb Returslam Recirkulation Overskudsslam Anlæg til biologisk fosfor fjernelse Parametre som styrer artsammensætningen Spildevand: Substrat Mikroorganismer Inhibitorer Kontrolparametre: Tankdesign Slamalder Hydraulisk opholdstid Ricirkulationsgrad Tilsætning af kemikalier Iltforhold Bundfældningstid Udløb 3

4 Mikrobielt forårsagede problemer Dårlige bundfældningsegenskaber Trådformede bakterier Slimdannende bakterier Skumdannende bakterier Deflokkulering Bakterier med dårlige flokkuleringsegenskaber Dårlig slamafvanding Slimdannende bakterier Problemer med biologisk fosforfjernelse Glykogen akkumulerende bakterier Problemer med N-fjernelse Sygdomsfremkaldende bakterier Slamflokke er meget forskellige Men der er generelle trends i opbygning 4

5 Arternes betydning for slamegenskaber Forskellige bakteriearter flokkulerer forskelligt På flokniveau influerer dette: Flokstørrelse Flokform Flokdensitet Flokstyrke Filament Organisk fiber Inorganisk partikel Extracellular polymeric substans I forhold til drift ændres: Flokkulering Bundfældning Afvanding Membranfouling (ved MBR) Mikrokoloni Vedhæftet vækst 0,1 mm Skum pga trådformede bakterier Microthrix Mycolata 5

6 Slimdannende bakterier Thauera Zoogloea Den mikrobiologiske database for danske renseanlæg Undersøgelse af 50 danske renseanlæg Samarbejde: Dansk Spildevandsteknisk Forening 50 renseanlæg Krüger A/S Kemira A/S Aalborg Universitet Besøg: 6

7 Formål og udbytte Formål: At etablere og udbygge en mikrobiologisk database over danske renseanlæg med biologisk kvælstof (N) og/eller fosfor (P) fjernelse for at: opnå kendskab til den mikrobielle sammensætning finde sammenhænge mellem forekomst af specifikke bakterier og renseanlæggets type, procesdesign, drift samt spildevandssammensætning Udbytte: De involverede parter vil på baggrund af den nye viden, på kort eller længere sigt, have bedre mulighed for afhjælpning af dårlige bundfældningsegenskaber, afhjælpning af skumdannelse samt en bedre kvælstofog fosforfjernelse. Dette kan bl.a. reducere udledningen af kulstof, kvælstof og fosfor, optimere brug af fældningskemikalier, mindske energiforbrug og øge driftsstabiliteten Identifikation af de relevante bakterier 1 ml aktivt slam fra et renseanlæg indeholder: 1-5 milliarder bakterier (10 9 ) Der er ca bakterier i 1 liter aktivt slam Der er ca stjerner i mælkevejen Standard dyrkning på vækstmedier: Hvor mange forskellige arter er der? Max. 1% af bakteriearterne kan dyrkes! 7

8 En bakteries bestanddele DNA DNA streng DNA Koder for særlig membrankomponent DNA fra 1 bakterie har typisk gener Koder for ribosomer(16s rrna gen) Koder for særligt enzym Molekylærbiologisk identifikation af bakterier i komplekse miljøer Tusindvis af forskellige arter i 1 ml aktivt slam Ekstraktion af arvemateriale (genomer, DNA, RNA) Sekvensanalyse med molekylær-biologiske metoder Identifikation af bakterier Brug af databaser Stamtræ med navne af alle de forekommende arter 8

9 Molekylærbiologisk identifikation af bakterier i komplekse miljøer Fluorescerende in situ hybridisering(fish) Ekstraktion af arvemateriale (genomer, DNA, RNA) Anvendelse af genprober Sekvensanalyse med molekylær-biologiske metoder Identifikation af bakterier Brug af databaser Design og test af genprober Fluorescerende markører Arts- eller gruppe-specifik kode Generel probe Rammer alle bakterier Specifik probe Rammer en art eller gruppe 9

10 Hvad laver de identificerede bakterier? - og hvem er de relevante? Bakteriesammensætning i 25 anlæg med biologisk fosfor-fjernelse Tusindvis af forskellige arter men kun er vigtige Disse er tilstede i næsten alle anlæg -> betyder man kan lære dem at kende og optimere processerne 10

11 Bakteriesammensætning i 25 anlæg med biologisk fosfor-fjernelse Kvantitativ FISH Generelle forhold 1. Bakteriesammensætningen i alle kommunale anlæg er overraskende ens med hensyn til arter men hyppigheden af de enkelte arter kan variere C C 11

12 Generelle forhold 1. Bakteriesammensætningen i alle kommunale anlæg er overraskende ens med hensyn til arter men hyppigheden af de enkelte arter kan variere 2. Bakteriesammensætningen i det enkelte anlæg er overraskende ens hen over tid (måneder, år) dog ses årstidsvariationer men de er nogenlunde ens hvert år C C Generelle forhold 1. Bakteriesammensætningen i alle kommunale anlæg er overraskende ens med hensyn til arter men hyppigheden af de enkelte arter kan variere 2. Bakteriesammensætningen i det enkelte anlæg er overraskende ens hen over tid (måneder, år) dog ses årstidsvariationer men de er nogenlunde ens hvert år 3. Hvert anlæg sin egen særlige bakteriesammensætning!! (de samme arter i de fleste anlæg men mængderne af de enkelte arter varierer) C C 12

13 % out of EUBmix Ejby Mølle: PAO and GAO Accumulibacter 1+2 Tetrasphaera 1 Tetrasphaera 2 Competibacter Generel stor stabilitet % af alle bakterier % out of EUBmix % out of EUBmix % out of EUBmix Nitrifiers Denitrifiers Other Nitrosospira Nitrosomonas Other AOB Nitrospira 1+2 Curvibacter Zoogloea Azoarcus Thauera Accumulibacter 1 Streptococcus Chloroflexi Saprospiraceae % af alle bakterier % of EUB Hjørring: 3 måneder Accumulibacter Actinobacteria Tetrasphaera type 1 1 Actinobacteria Tetrasphaera type 2 2 Days 0 Sampling date Nielsen et al., 2010, Wat. Res. Generelle forhold 4. Hvis noget er usædvanligt/problematisk kan en mikroskopering og en identifikation af de involverede bakterier ofte afsløre problemet og give forslag til en løsning C C 13

14 Tilbage til starten 1. Hvilke bakterier har I? 2. Hvordan kan man sikre, at den rigtige bakteriesammensætning på renseanlægget opretholdes. Hvilke bakterier har I? 14

15 Den rigtige artssammensætning Vigtig for renseeffektivitet og flokegenskaber Fordelagtig i begrænsede mængder Giver problemer Processtabilitet Biologisk fosforfjernelse 3 bakteriegrupper Denitrifikation 7 bakteriegrupper Nitrifikation Ammoniumoxidation 2 bakteriegrupper Nitritoxidation 1 bakteriegruppe Passer godt med erfaringer at nitrifikation ofte kaldes renseanlæggets akilleshæl der er ingen til at tage over. 15

16 Kontrolstrategier 021N PAC Thiothrix -? PAC Sidestrømshydrolyse Der er taget patent på en strategi FEX120 PAC = Polyaluminiumkloridopløsning Træerne vokser stadig ikke ind i himlen Vi kan identificere disse grupper, men Nitrifikanter, vi kan detektere når de ikke er der, og det er et vigtigt første skridt, men hvorfor, årsagerne kan være mange. Chloroflexi, denne gruppe af trådformede bakterier findes i alle renseanlæg, og er i moderate mængder vigtige for flokegenskaberne. De kan i store mængder resultere i dårlige slamegenskaber. Der findes p.t. ingen kontrolstrategi. Slimdannende bakterier, ok i moderate mængder, men kan påvirke slamegenskaber, herunder bundfældning og afvanding. 16

17 Dette er ingen reklame, men.. Vi er et universitet, og har således ingen kommercielle interesser, men da der ikke findes et laboratorium der kan udføre analysen kan vi udføre analyserne mod at udgifterne dækkes. På baggrund af resultaterne, er der lavet nogle anbefalinger/ analysepakker til at identificere forskellige bakteriegrupper. Dermed kan renseanlæg evt. i samarbejde med rådgivere klarlægge hvad der kan gøres ved et givent problem Analyse 1. Problemet forklares af rådgiver/anlæg 2. Slammet mikroskoperes og slammet karakteriseres. På baggrund af dette gives anbefalinger til analysepakke til FISH da morfologisk (artsbestemmelse baseret på bakteriers form) identifikation ikke bør stå alene. 3. Der laves FISH på slammet. Pakke 1 Microthrix Parvicella Pakke 2 Mycolata og relevante underarter Pakke 3 Thiothrix og relevante underarter samt Chloroflexi Pakke 4 Fosfat akkumulerende og glykogen akkumulerende bakterier Pakke 5 Nitrifikanter. Pakke 6 Denitrifikanter 17

18 Angivelse af mængde af trådformede bakterier Trådindex (0-5) FI = 0 TI= 3 TI= 4 TI= 5 Eikelboom s Manual 2000 Forskningsindsatsen fremadrettet 1. Der arbejdes videre med den mikrobiologiske database ikke mindst med at kombinere artssammensætninger med anlægsdata. 2. Der er igangsat en lignende database på rådnetanke. 3. Tilsætning af kemikalier/bakterier med specifikke agenskaber som kan være relevante 4. Nye metoder er taget i brug for at komme tættere på bakterierne i renseanlæggene. 18

19 System mikrobiologi Microbial community Metabolites High-throughput data Meta-bolomics Ekstraction Proteins Meta-proteomics mrna Metatranscriptomics Single-cell in situ methods DNA Meta-genomics Community structure Microbial functions Microbial needs Fjern/kontr ol P-removal: N-removal: -removal: Skumnin g Foaming: Ethanol production: Tak for jeres opmærksomhed 19