ARAbiom - DNA Monitoring auf ARAs

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 711.31.22

Schlüsselwörter (Deutsch)

Abwasserreinigungsanlage, ARA, mikrobielle Gemeinschaften, Mikrobiom, biologische Reinigung, DNA, DNA Monitoring, Diagnoseinstrument, DNA- Sequenzierung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die biologische Reinigung einer Abwasserreinigungsanlage (ARA) ist ein technisches Ökosystem zur Entfernung von Schadstoffen im Abwasser, das unter anderem aus einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft besteht. Eine gut funktionierende und etablierte mikrobielle Gemeinschaft in der biologischen Reinigung ist essentiell für die stabile Prozessleistung einer ARA. Das Mikrobiom der biologischen Reinigung unterliegt jedoch einem ständigen Wandel, der auf die Dynamik der Abwasserzusammensetzung, die mikrobielle Konkurrenz, saisonal wechselnde Umweltparameter und den Betrieb der biologischen Reinigung zurückzuführen ist. Die induzierten Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft führen nicht zwangsläufig zu Prozessstörungen oder Leistungseinbrüchen. Wenn jedoch die Grundstabilität des Mikrobioms gestört ist, d. h. eine essentielle, funktionelle Gilde fehlt, oder nicht die erwartete Leistung erbringt, kann sich dies negativ auf die gesamte Gemeinschaft auswirken. Dies kann letztlich zu Prozessstörungen wie z.B. Nitritakkumulation, Schwimmschlamm oder N₂O-Emissionen führen und längere Phasen mit unzureichender Anlagenleistung auslösen.

Manchmal sind die Auslöser für Instabilitäten der biologischen Prozesse unklar. Zudem werden Betriebsprobleme erst erkannt, nachdem die ursächlichen biologischen Veränderungen bereits eingetreten sind. Beim aktuellen Stand der Technik werden hauptsächlich verfahrenstechnische Erfahrungswerte und umwelttechnische Prinzipien als Grundlage für die Planung und den Betrieb biologischer Prozesse angewendet. Dabei wird auf ein stark simplifiziertes Modell einzelner mikrobiologischer Gruppen zurückgegriffen. Mikrobiome auf Kläranlagen sind jedoch hochkomplex. Es fehlen praxistaugliche Analysemethoden um den ARA-Betreiber:innen zu ermöglichen, Veränderungen frühzeitig zu erkennen und ihnen proaktiv entgegenzuwirken. Durch eine wöchentlichen DNA-Sequenzierung des Mikrobioms von Belebtschlamm wird im vorliegenden Projekt aufgezeigt, wie Prozessinstabilitäten frühzeitig erkannt werden und darauf betriebstechnisch sinnvoll reagiert werden kann.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 08.11.2022 (Beilage 1) an der Sitzung der Koko UT vom 29.11.2022 (Mail zum Entscheid: Beilage 2) genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die vier beteiligten ARA-Betreiber:innen haben das Probenahmematerial erhalten und wurden an Workshops bezüglich korrekter Probenahme informiert. Das Labor in Horw ist eingerichtet und die Arbeitsabläufe sind einstudiert. Meilenstein 1
2. Ein Kick-off Meeting mit allen beteiligen Parteien hat stattgefunden. Meilenstein 2
3. Während zwölf Monaten sind wöchentlich Proben des Belebtschlammes genommen und analysiert worden. Die Analysearbeiten sind gegliedert in folgende Arbeitsschritte: DNA-Extraktion, Qualitätskontrolle der entnommenen DNA, PCR-Amplifizierung des 16S rRNA Gens, Aufreinigung der DNA-Proben und dann deren Sequenzierung mittels Nanopore MinION/GridION, Datenauswertung in Bezug auf Prozesssteuerung der biologischen Reinigungsstufe der entsprechenden ARAs und Bereitstellung der Resultate für die ARA-Betreiber:innen.
4. Eine Cloud-Software ist eingeführt und erlaubt ein effizientes Datenmanagement der DNA-Analysen des Belebtschlammes. Die Resultate werden gemäss den Bedürfnissen der ARA-Betreiber:innen visualisiert. Meilenstein 3
5. Zur Projekthalbzeit wird eine Zwischenbilanz gezogen: Ein Projekttreffen mit allen Beteiligten hat stattgefunden. Meilenstein 4
6. Die Cloud-Software wurde erweitert. Die Resultate der DNA-Analysen wurden den relevanten ARA-Betriebsdaten (Nitrifikationsleistung, Denitrifikationsleistung, Lachgasemissionen, Schlammabsetzbarkeit, Schlammabsetzgeschwindigkeit, Schlammalter, Sauerstoffzehrung) gegenübergestellt. Dadurch können Veränderungen des Mikrobioms mit Prozessinstabilitäten oder Leistungseinbussen in Zusammenhang gebracht werden. Zusammen mit den ARA-Betreiber:innen wurden Gegenmassnahmen entwickelt. Meilenstein 5
7. Eine Evaluation bezüglich der Einsatzmöglichkeiten des Produktes als Frühwarn- oder Prognoseinstrument wurde gemacht.
8. Ein marktreifes Dienstleistungsangebot ist vorhanden: Das Marketingmaterial wurde aufgearbeitet, die Preise festgelegt und der Business Case steht fest.
9. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 8 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
10. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
11. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Im Rahmen dieses Projektes soll ein Instrument zur Quasi-Echtzeit-Überwachung des Mikrobioms des Belebtschlammes einer ARA entwickelt werden. Dazu entnehmen während zwölf Monaten ARA-Betreiber:innen von vier verschiedenen ARAs wöchentlich Proben des Belebtschlammes. Upwater, ein EAWAG Spin-off, sequenziert und analysiert die extrahierten Proben und stellt dann die resultierenden Daten inklusive deren Interpretation den ARA-Betreiber:innen zur Verfügung.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Ein Labor für die DNA-Analysen wurde durch die Firma upwater AG eingerichtet und die Laborabläufe wurden dokumentiert. Die vier beteiligten ARAs wurden in Workshops über die Probenahme und die Auswertung informiert. (Meilenstein 1 und 2)

Eine Software für ein effizientes Datenmanagement und die automatisierte Auswertung der Sequenzierdaten wurde entwickelt. (Meilenstein 3)

 

In einem Treffen mit allen Projektbeteiligten wurde eine Zwischenbilanz gezogen und Feedback für die Weiterentwicklung des Analyseinstruments gesammelt. (Meilenstein 4)

 

Die Software und die Auswertungen wurden so erweitert, dass die Resultate im Kontext mit weiteren Betriebsdaten dargestellt werden können. (Meilenstein 5)

 

Es wurden Marketingunterlagen für ein Dienstleistungsangebot ausgearbeitet und ein Business Case festgelegt. (Meilenstein 6)

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Im vorliegenden Projekt wurde ein Mikrobiom-Monitoring-System für Abwasserreinigungsanlagen (ARAs) entwickelt. Durch DNA-Analysen (16S-rRNA-Sequenzierung) kann die Zusammensetzung des Mikrobioms in den Klärbecken bestimmt werden. Die Anlagenbetreiber können mithilfe dieser Analyseresultate die biologischen Prozesse optimieren. Sie können dadurch Betriebsmittelkosten senken und die Ablauf- und somit Gewässerqualität verbessern. Beispielsweise konnten auf einer Anlage durch präzisere Diagnosen die Kosten von Fällmittel-Chemikalien deutlich gesenkt werden, mit entsprechendem ökonomischem und ökologischem Nutzen.

Im Rahmen des Projekts wurden im Zeitraum von zwei Jahren auf vier ARAs wöchentlich Proben analysiert. Die Resultate und mögliche Massnahmen wurden regelmässig mit den Anlagebetreibern diskutiert. Dabei wurden in Zusammenarbeit mit den Expert:innen der ARAs standardisierte Kennzahlen, Abläufe für die Probenahme und Instrumente entwickelt.

Nach Projektende können dank optimierten Laborprozessen und standardisiertem Datenmanagement schnelle und kostengünstige Analysen angeboten werden. Aktuell nutzen rund 25 ARAs die Dienstleistung.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Firma upwater AG versucht, weitere ARAs für die Analysen zu gewinnen und ist auf der Suche nach Partnerfirmen für den Vertrieb.

Das Angebot soll mit der Entwicklung von qPCR-Analysen ergänzt werden. Die qPCR-Technologie ermöglicht es, relevante Mikroorganismen gezielter zu untersuchen