The oxidation of ammonia to nitrate (nitrification) is a central step of modern wastewater treatment. Ammonia is first oxidized by ammonia-oxidizing bacteria to nitrite, which is oxidized to nitrate subsequently by nitrite-oxidizing bacteria. Detailed studies on population structure and physiology of the ammonia- and nitrite-oxidizers (nitrifiers) are urgently required due to severe instabilities of nitrification in many wastewater treatment plants. This has to be accomplished by means of cultivation-independent methods, because important nitrifiers (e. g. the nitrite-oxidizers of the genus Nitrospira) cannot be cultivated up to now. In this thesis, nitrifiers living in activated sludges and biofilms were investigated in situ by molecular approaches. New rRNA-targeted oligonucleotide probes specific for the genus and phylum Nitrospira were developed for this purpose. These probes detect all known organisms that belong to this line of descent by Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) in environmental samples. Furthermore, the possibilities to quantify bacterial populations (e. g. nitrifiers) in situ were improved. Variants of the domain-specific probe EUB338 were designed that allow to quantify the total bacterial populations in environmental samples more precisely. Absolute cell concentrations of uncultured bacteria that grow as cell aggregates (like nitrifiers) can be measured efficiently by a newly developed, semi-automatic quantification method. Nitrifiers in different wastewater treatment plants were quantified by using this method and additional, already established techniques. Based on the quantification results it was possible to estimate the average substrate turnover activity of ammonia-oxidizers in an activated sludge plant as 2.3 fmol of ammonia per hour and per cell. Population structure and physiology of Nitrospira-like bacteria in wastewater treatment plants were investigated by combined applications of molecular methods. Comparative analysis of rRNA gene sequences opened new insights into the phylogeny of the genus Nitrospira. The complex morphology of the microcolonies formed by Nitrospira-like bacteria in biofilms was analyzed by FISH and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). For this purpose, a modified FISH protocol and a computer program for the 3D-visualization of CLSM image data were developed. The modified FISH protocol reduces changes of spatial structures during the investigation of environmental samples. The uptake of organic carbon sources by Nitrospira-like bacteria was monitored without cultivation by combining FISH with microautoradiography. These experiments demonstrated that Nitrospira-like bacteria in wastewater treatment plants fix CO2 and take up pyruvate under aerobic conditions.     «

The oxidation of ammonia to nitrate (nitrification) is a central step of modern wastewater treatment. Ammonia is first oxidized by ammonia-oxidizing bacteria to nitrite, which is oxidized to nitrate subsequently by nitrite-oxidizing bacteria. Detailed studies on population structure and physiology of the ammonia- and nitrite-oxidizers (nitrifiers) are urgently required due to severe instabilities of nitrification in many wastewater treatment plants. This has to be accomplished by means of cultiv...     »

Die Oxidation von Ammonium zu Nitrat (Nitrifikation) ist ein zentraler Schritt der modernen Abwasserreinigung. Das Ammonium wird zuerst von bestimmten Bakterien, den Ammoniumoxidierern, zu Nitrit und anschließend von Nitritoxidierern weiter zu Nitrat oxidiert. Wegen der instabilen Nitrifikation in vielen Kläranlagen sind detaillierte Studien zur Populationsstruktur und Physiologie der Ammonium- und Nitritoxidierer (Nitrifikanten) unbedingt erforderlich. Dies muß mit kultivierungsunabhängigen Methoden erfolgen, da wichtige Nitrifikanten (z.B. die Nitritoxidierer der Gattung Nitrospira) bisher nicht kultiviert werden können. In dieser Arbeit wurden Nitrifikanten in Belebtschlämmen und Biofilmen mit molekularen Ansätzen zur in situ Analyse von Bakterienpopulationen untersucht. Dazu wurden für die Gattung und das Phylum Nitrospira spezifische, rRNS-gerichtete Oligonukleotidsonden entwickelt. Diese Sonden erlauben erstmals den in situ Nachweis aller Organismen dieser Entwicklungslinie mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) in Umweltproben. Weiterhin wurden die Möglichkeiten zur in situ Quantifizierung von Bakterienpopulationen, z. B. Nitrifikanten, verbessert. Neu entwickelte Oligonukleotidsonden ergänzen die bakterienspezifische Sonde EUB338 und ermöglichen eine umfassendere Quantifizierung der Gesamtbakterienpopulation in Umweltproben. Eine halbautomatische Quantifizierungsmethode wurde entwickelt, mit der Zellkonzentrationen nicht-kultivierter Bakterien, die in Aggregaten wachsen (z. B. Nitrifikanten), effizient meßbar sind. Mit dieser Methode und anderen, bereits etablierten Techniken wurden Nitrifikanten in verschiedenen Kläranlagen quantifiziert. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für Ammoniumoxidierer in einer Belebtschlammanlage eine geschätzte, durchschnittliche Umsatzrate von 2,3 fmol Ammonium pro Stunde und pro Zelle ermittelt. Die Populationsstruktur und Physiologie Nitrospira-ähnlicher Bakterien in Kläranlagen wurden durch den kombinierten Einsatz molekularer Methoden untersucht. Eine vergleichende Analyse von rRNS-Gensequenzen ergab neue Einblicke in die Phylogenie der Gattung Nitrospira. Mittels FISH und konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) wurde erstmals die komplexe Morphologie von Nitrospira-Mikrokolonien in Biofilmen analysiert. Zu diesem Zweck wurden ein modifiziertes FISH-Protokoll sowie ein Computerprogramm zur 3D-Visualisierung von CLSM-Daten entwickelt. Das modifizierte FISH-Protokoll verringert Veränderungen der räumlichen Struktur in den untersuchten Umweltproben. Die Aufnahme organischer Kohlenstoffquellen durch Nitrospira-ähnliche Bakterien wurde kultivierungsunabhängig durch Kombination von FISH und Mikroautoradiographie beobachtet. Es zeigte sich, daß diese Bakterien unter aeroben Bedingungen CO2 fixieren und zusätzlich Pyruvat aufnehmen.     «

Die Oxidation von Ammonium zu Nitrat (Nitrifikation) ist ein zentraler Schritt der modernen Abwasserreinigung. Das Ammonium wird zuerst von bestimmten Bakterien, den Ammoniumoxidierern, zu Nitrit und anschließend von Nitritoxidierern weiter zu Nitrat oxidiert. Wegen der instabilen Nitrifikation in vielen Kläranlagen sind detaillierte Studien zur Populationsstruktur und Physiologie der Ammonium- und Nitritoxidierer (Nitrifikanten) unbedingt erforderlich. Dies muß mit kultivierungsunabhängigen Met...     »