Verbreitung und Diversität denitrifizierender Bakterien im Oberflächenwasser und hyporheischen Interstitial der Lahn unter dem Einfluß von Kläranlagenabwässern

摘要

Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluß von eingeleitetem Klärwasser auf die Verbreitung und Diversität von denitrifizierenden Bakterien im Oberflächenwasser und hyporheischen Interstitial der Lahn zu untersuchen und mögliche Veränderungen sowie deren Ursachen zu detektieren. In den Jahren 1999 bis 2001 wurden aus dem Klär- und Oberflächenwasser und mit Hilfe von Multilevelsonden simultan aus unterschiedlichen Sedimenttiefen der Lahn (5, 15, 25 und 45 cm) Wasserproben entnommen. Die elektrische Leitfähigkeit weist auf einen starken Austausch zwischen Oberflächen- und Interstitialwasser bis in 45 cm Sedimenttiefe und auf einen geringen Einstrom des Grundwassers in die untersuchten Sedimentschichten hin. Für die untersuchten Interstitialbereiche stellt die Verfügbarkeit von Nitrat für die Denitrifikation keinen limitierenden Faktor dar. Eine Determinierung der Verbreitung von kultivierbaren denitrifizierenden Bakterien im Interstitial durch die Nitratkonzentration und bezüglich der Sedimenttiefe wurde nicht festgestellt. Auch ein temporär erhöhter Eintrag von Nitrat durch das Klärwasser führte weder zu einer deutlich erhöhten Nitratkonzentration noch zu einer erhöhten Denitratationspotenz in den flußabwärts des Kläranlagenablaufes gelegenen Interstitialbereichen. Eine schon aus vorangegangenen Projekten festgestellten Nitritanreicherungen konnten in dieser Untersuchung für den flußabwärts des Kläranlagenablaufes gelegenen Interstitialbereich in den Sommermonaten bestätigt werden. Aufgrund niedriger Ammoniumkonzentrationen und Denitratationspotenzen lassen sich diese nicht auf eine unvollständige Denitrifikation, sondern auf eine unvollständige Nitrifikation zurückführen. Im ca. 250 m flußabwärts vom Kläranlagenablauf gelegenen Interstitialbereich konnte keine Nitritakkumulation, dafür aber eine erhöhte Denitratationspotenz festgestellt werden. Da mit gesunkener Ammoniumkonzentration im Klärwasser die Denitratationspotenz in diesem Interstitialbereich erniedrigt war, weist dies auf eine scheinbar effektive Kopplung von Nitrifikation und Denitrifikation während erhöhter Ammoniumkonzentrationen hin. Im untersuchten Exfiltrationsbereich konnten vermehrt denitrifizierende Bakterien isoliert werden, so daß von einer Verbreitungspräferenz der kultivierbaren denitrifizierenden Bakterien im upwelling Bereich aufgrund der erniedrigten Sauerstoffkonzentration ausgegangen wird. Aufgrund von Tag-Nachtschwankungen der Sauerstoffkonzentration in der fließenden Welle und der gemessenen Differenz zwischen fließender Welle und Interstitialwasser ist von alternierenden Sauerstoffkonzentrationen im Interstitial und der Ausbildung von u84anoxic sitesu93 in der Lahn auszugehen, wodurch eine Denitrifikation begünstigt wird. Die isolierten denitrifizierenden Bakterien wurden mittels der molekulargenetischen ARDRA-Methode in 24 phylogenetisch unterschiedliche Gruppen eingeteilt. Diese genotypische Diversität ist vergleichbar mit der von kultivierbaren Bakterien in Böden, die durch dieselbe Methode festgestellt wurde. Stämme der Gattungen Pseudomonas, Enterobacter, Bacillus, Aeromonas, Shewanella, Stenotrophomonas und Klebsiella wiesen eine vom Klärwasser unbeeinflußte Verbreitung auf. Sie gehören demnach der permanenten mikrobiellen Denitrifikantenpopulation im Oberflächen- und Interstitialwasser der Lahn an. Für die isolierten denitrifizierenden Stämme der Gattungen Pseudomonas und Bacillus konnte in dieser Untersuchung eine Persistenz im hyporheischen Interstitial der Lahn über einen Zeitraum von mindestens fünf Jahren festgestellt werden. Eine weite Verbreitung im Oberflächen- und Interstitialwasser der Lahn wies das Gram positive Bakterium Bacillus cereus und das Gram negative Bakterium Pseudomonas fluorescens auf, wobei letzteres in der kultivierbaren denitrifizierenden Bakterienpopulation dominiert. Im Gegensatz dazu wurden Ochrobactrum anthropi und Serratia spec. nur flußaufwärts im Oberflächenwasser detektiert, was auf eine Belastung der Lahn durch flußaufwärts gelegene punktuelle und diffuse Quellen hinweist. Während Alcaligenes Spezies und Acinetobacter spec. auf die Bedingungen im Klärwasser angewiesen sind, wurden Comamonadaceae nicht nur im Klärwasser nachgewiesen, sondern persistierend im Oberflächen- und Interstitialwasser der Lahn festgestellt. Die Veränderung innerhalb der kultivierbaren Bakterienpopulation der Lahn durch den Eintrag des Klärwassers zeigt sich insbesondere durch die restriktive Isolierung der Stämme der Comamonadaceae, die nur im und flußabwärts des Kläranlagenablaufes detektiert wurden. Eine direkte Einschwemmung dieser denitrifizierenden Bakterien durch das Klärwasser in das Interstitial der Lahn und eine Persistenz dieser im Interstitial konnte damit nachgewiesen werden.