Ανάπτυξη και εφαρμογή της μοριακής τεχνικής FISH με στόχο τον ποσοτικό προσδιορισμό και τη διερεύνηση της ενεργότητας νηματοειδών βακτηρίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων με απομάκρυνση θρεπτικών

Abstract

The scope of this study was the investigation of foaming due to the overgrowth of the filamentous microorganisms M. parvicella and G. amarae. In order to overcome the difficulties arising from the implementation of the traditional technique of Pitt and Jenkins, a molecular counting technique was developed with the use of the Fluorescent In Situ Hybridization (FISH). As was expected the average counts of the filaments identified by the two methods were statistically different since FISH identifies only the viable bacteria while the Pitt and Jenkins technique accounts for the total of the gram positive bacteria. Furthermore, the average counts as identified by FISH weren’t statistically different compared to those counted by means of the LIVE/DEAD technique that identifies only the live bacteria. Therefore, FISH within the scope of this study was used to determine the viable microorganisms. After FISH was developed it was used to investigate the overgrowth of the filaments M. parvicella and G. amarae at the various processes of three WasteWater Treatment Plants (WWTPs) (of the cities of Chalkida, Volos and Psyttalia).The WWTPs were selected based on the severity and persistence of filamentous foaming events in their activated sludge systems. The scope was to test the hypothesis that filaments’ recirculation, by means of the underflows from the solids treatment line, seed the activated sludge system. Furthermore, the WWTPs were selected based on the fact that their solids treatment process included anaerobic digestion for the stabilization of the waste activated sludge in order to calculate the filaments destruction there. The results indicated a seasonal variation of the filamentous bacteria and in specific, the overgrowth of Μ. parvicella and G. amarae during winter and summer months respectively. Also, the mass balances for the filaments showed that they could survive in the anaerobic digestion systems of the WWTPs (destruction rates ranged within 36,2 - 77,6%) and that the underflows from the thickening and dewatering processes seed the activated sludge system with viable Μ. parvicella and G. amarae at percentages equal to 0,4% - 27,1% of the total filament mass in the secondary treatment. In order to investigate the viability of G. amarae and M. Parvicella in anaerobic digestion, a laboratory scale study was conducted that involved the operation of four lab-scale anaerobic digestion systems, two single - stage and two dual - stage, operating in the mesophilic (35oC) and thermophilic (55oC) temperature ranges. All systems were operated at four different detention times of 20, 16, 13 and 10 days. According to FISH counts of M. Parvicella and G. amarae, it appears that thermophilic conditions resulted in a higher destruction of the filamentous bacteria that averaged from 77,8% to 97,1% and 79,1% - 97,4% respectively, compared to the mesophilic systems that exhibited destruction rates within the range of 51,1% - 76,9% and 59,6% - 69,6%. Destruction rate was proportional to the detention time for all digestion systems. It should be underlined, however, that although anaerobic conditions induced a higher destruction of the filamentous foaming bacteria, they did not improve the sludge foaming characteristics significantly. ..

Ο στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση του φαινόμενου του αφρισμού λόγω της υπερανάπτυξης των νηματοειδών μικροοργανισμών M. parvicella και G. amarae σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) με απομάκρυνση θρεπτικών, με έμφαση στον προσδιορισμό της επίδρασης της γραμμής επεξεργασίας της ιλύος στο νηματοειδή αφρισμό. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι δυσκολίες που προκύπτουν από την εφαρμογή της παραδοσιακής τεχνικής Pitt και Jenkins για την καταμέτρηση των νηματοειδών βακτηρίων που προκαλούν αφρισμό, αναπτύχθηκε μοριακή τεχνική καταμέτρησής τους με τη βοήθεια της Φθορίζουσας Επί Τόπου Υβριδοποίησης (Fluorescent In Situ Hybridization - FISH). Επιπλέον, οι μέσοι όροι των νηματοειδών που ταυτοποιήθηκαν με τη FISH δεν είχαν στατιστική διαφορά από τους αντίστοιχους που ταυτοποιήθηκαν με την τεχνική LIVE/DEAD που προσδιορίζει τους ζώντες μικροοργανισμούς. Επομένως, στην παρούσα εργασία η FISH χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των βιώσιμων μικροοργανισμών. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια της μεθόδου FISH, διερευνήθηκε η υπερανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών M. parvicella και G. amarae στα διάφορα στάδια τριών εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων (Χαλκίδας, Βόλου και Ψυττάλειας). Οι ΕΕΛ επιλέχθηκαν βάσει της επίμονης εμφάνισης του φαινομένου του αφρισμού και με ιδιαίτερο στόχο την εξέταση της υπόθεσης της επανατροφοδότησης του συστήματος της ενεργού ιλύος με τους εν λόγω νηματοειδείς μέσω της επανακυκλοφορίας των στραγγιδίων από τη γραμμή επεξεργασίας της ιλύος. Από τα ισοζύγια των ροών μάζας των νηματοειδών μικροoργανισμών προέκυψε ότι οι υπό εξέταση νηματοειδείς επιβιώνουν στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης σε σημαντικό ποσοστό (ποσοστό καταστροφής από 36,2-77,6%). Επίσης, προέκυψε ότι οι ροές των στραγγιδίων από τις διεργασίες πάχυνσης και αφυδάτωσης επανατροφοδοτούν με βιώσιμους νηματοειδείς Μ. parvicella και G. amarae το σύστημα ενεργού ιλύος όλων των υπό εξέταση ΕΕΛ σε ποσοστό 0,4% - 27,1% της συνολικής μάζας των νηματοειδών στη δευτεροβάθμια διεργασία. Παράλληλα, προσδιορίστηκε το ποσοστό καταστροφής των εν λόγω βακτηρίων και διερευνήθηκαν οι επιπτώσεις των υψηλών συγκεντρώσεων των νηματοειδών G. amarae και M. parvicella σε εργαστηριακά συστήματα αναερόβιας χώνευσης καθώς και η συσχέτισή τους με την απόδοση των χωνευτών και με πιθανά λειτουργικά προβλήματα. Για το σκοπό αυτό αξιολογήθηκε η λειτουργία διαφορετικών συστημάτων αναερόβιας χώνευσης, μέσω της μελέτης της επίδρασης του χρόνου παραμονής, της θερμοκρασίας και της διαμερισματοποίησης. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν τέσσερα συστήματα, ένας μονοβάθμιος μεσόφιλος χωνευτής, ένας μονοβάθμιος θερμόφιλος χωνευτής και δύο διβάθμια συστήματα. Το ένα διβάθμιο σύστημα αποτελούταν από ένα πρώτο θερμόφιλο στάδιο με μικρότερο χρόνο παραμονής σε σειρά με δεύτερο μεσόφιλο στάδιο ενώ το δεύτερο διβάθμιο σύστημα αποτελούταν από δύο μεσόφιλους χωνευτές σε σειρά με ίσους χρόνους παραμονής. Όλα τα συστήματα λειτούργησαν σε 4 διαφορετικούς χρόνους παραμονής, στις 20, 16, 13 και 10 ημέρες. Σύμφωνα με τις μετρήσεις FISH των M. parvicella και G. amarae, οι θερμόφιλοι χωνευτές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερα ποσοστά καταστροφής των νηματοειδών, αναλογικά με το χρόνο παραμονής τους...