Die Bedeutung des Biofilms für die unterschiedlichen Schwimmteichtypen

Norbert Gäng / Wolfgang Wesner

 

Struktur und Zusammensetzung

Biofilme EPS können sich in  Gegenwart von Wasser, Nährstoffe und Mikroorganismen auf nahezu jeder Oberfläche ansiedeln.  

Grundsätzlich können jedoch alle Grenzflächen von Biofilmen bewachsen werden: zwischen Gas- und Flüssigphasen (z. B. freier Wasserspiegel), Flüssig- und Festphasen (z. B. Kies an der Gewässersohle) oder auch zwischen verschiedenen Flüssigphasen (z. B. Öltröpfchen im Wasser). Die Grenzfläche, auf der sich der Biofilm bildet, nennt man Substratum.

Biofilme können als die Urform des Lebens gelten, denn die ältesten Fossilien, die man bisher gefunden hat, stammen von Mikroorganismen in Biofilmen, die vor 3,2 Milliarden Jahren gelebt haben. Es handelt sich dabei um in Westaustralien (Pilbara Kraton) gefundene Stromatolithen (biogene Sedimentgesteine). Der Biofilm als Lebensform hat sich so gut bewährt, dass er bis heute weit verbreitet ist. Die weitaus überwiegende Zahl an Mikroorganismen lebt in der Natur in Form von Biofilmen.

Biofilme werden im Alltag oft als „Schleimschicht“ oder „Belag“ wahrgenommen. Andere, umgangssprachliche Bezeichnungen sind Aufwuchs, Kahmhaut oder Sielhaut.

Der Biofilm enthält außer den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser. Von den Mikroorganismen ausgeschiedene extrazelluläre polymere Stoffe (EPS) bilden in Verbindung mit Wasser Hydrogele, so dass eine schleimartige Matrix entsteht, in der Nährstoffe und andere Substanzen gelöst sind. Oft werden von der Matrix auch anorganische Partikel oder Gasbläschen eingeschlossen. Die Gasphase kann je nach Art der Mikroorganismen mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Methan oder Schwefelwasserstoff angereichert sein.

Die EPS bestehen aus Biopolymeren, die in der Lage sind, Hydrogele zu bilden und die somit dem Biofilm eine stabile Form geben. Dabei handelt es sich um ein weites Spektrum von Polysacchariden, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren.

In Biofilmen leben normalerweise verschiedene Mikroorganismen gemeinsam. Neben den ursprünglichen Biofilm-Bildnern können auch andere Einzeller (Amöben, Flagellaten u. a.) integriert werden. Im Abstand von wenigen hundert Mikrometern können aerobe und anaerobe Zonen vorkommen, sodass aerobe und anaerobe Mikroorganismen eng nebeneinander leben können.

Biofilme besitzen eine große ökologische Bedeutung. Sie sind an den globalen Kreisläufen von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und vieler anderer Elemente beteiligt. Sie mobilisieren Stoffe aus Mineralen. Sie binden viel Kohlenstoffdioxid, womit sie dem Treibhauseffekt entgegenwirken.

Die Organismen innerhalb der Biofilme sind in der Lage, durch ihr Zusammenwirken auch schwer abbaubare Stoffe abzubauen. Sie spielen eine zentrale Rolle in den Selbstreinigungsprozessen natürlicher Habitate. So sind sie wesentlich an der Selbstreinigung der Gewässer beteiligt.

Aus was besteht Biofilm:

Bakterien, Algen, Pilze, Einzeller,

in weiteren Ebenen : Totatoren

Es entsteht durch ‚Kleber’ ein mehr oder weniger dichter Film. Verschiedene Organismen schliessen sich zu Symbiosen zusammen.  

Extrazellulare polymere Substanzen:

Synergetische Lebensweise

Nährstoffanreicherung

Sauerstoffgradient – aerobe /anaerobe Prozesse 

Schutz vor Schadstoffen (Toxine) 

Wachstum

Trotz der Vielfalt der Mikroorganismen lassen sich bei der Entwicklung eines Biofilmes generell verschieden Stadien beschreiben 

Induktionszeit bis zum Beginn des logarithmischen Wachstums 

Am Schluss steht die Bildung der Matrix

 

Die Entstehung und Ausbildung eines Biofilms kann in drei Phasen unterteilt werden: Die Induktionsphase, die Akkumulationsphase und die Existenzphase.

Der Biofilmbildung auf festen Oberflächen geht meist eine Induktionsphase voraus, andere Biofilme bilden sich oft auch ohne diese. In der Induktionsphase lagert sich an einer mit Wasser benetzten Oberfläche eine dünne, zähflüssige Schicht aus organischen Substanzen an. Dadurch können die Mikroorganismen sich besser an die Oberfläche anheften. Diese Biopolymere entstammen der Schleimhülle, die sich um Bakterienzellen bildet (EPS), sich gelegentlich ganz oder teilweise ablöst und beim Kontakt mit Grenzflächen adsorptiv gebunden wird.

 

Phasen der Biofilmentwicklung

Diese organische Schicht wird dann in der Akkumulationsphase von Keimen besiedelt, welche die organischen Substanzen als Nährstoffe nutzen. Zur Verständigung der Mikroorganismen dient ein interzelluläres Kommunikationssystem, welches als „Quorum sensing“ bezeichnet wird. Dadurch können eine Reihe von Vorgängen durch die Aktivierung genetischer Programme untereinander koordiniert werden. Infolge der Vermehrung der Zellen, die sich an einer Oberfläche angelagert haben, kommt es zu einer Ausbreitung der Organismen. Die Grenzfläche wird in Form eines Films (Biofilm) erst flächig besiedelt. Gleichzeitig oder später wachsen die Biofilme mehrschichtig auf und bilden schließlich heterogene dreidimensionale Strukturen.

Von der Existenzphase spricht man, wenn sich ein Gleichgewicht zwischen Zuwachs und Abbau des Biofilms einstellt. Die Tiefenausdehnung des Biofilms ist begrenzt, da sich regelmäßig ganze Teile des Biofilms ablösen (Häutung, engl. sloughing). Dafür gibt es verschiedene Ursachen:

Faktoren

-         Substrat, Rauheit, Hydrophobizität.

-       Flüssigkeiten  

-          Zelle

Die Entwicklung wird abgeschlossen, wenn die Neubildung und Abbau im Gleichgewicht sind. Z.B. durch Abreissen des Biofilms.

 

Von nichts kommt nichts

Algen, Biofilme, Pflanzen brauchen Nährstoffe.  

 

Wozu Biofilm im Schwimmteich

-         Phosphatsenke

 

Biofilm anzüchten, Biofilm ernten – raus 

Wo will ich den Biofilm?

Im Filter: Ja

In der Pflanzenzone : Ja 

Auf den Steinen an der Beckenwand: nein 

Ich hab immer ein limitierendes Element, das das Wachstum einschränkt

Ein zweiter Faktor ist die Anströmung. 

(Konzentration P (g/m3) x (Anströmung (m3/h)

Dort wo ich Anströmung habe entsteht Biofilm. Wenn die Fläche nicht angeströmt wird, hab ich keinen Biofilm.

Die Zelle kann aus dem vorbeiströmten Wasser P entnehmen.

Die Aufnahme nimmt mit der Geschwindigkeit ab.

Wegen der Anströmung setzt sich im Kiesfilter Biofilm an.

Die gleiche Formel gilt für die Algen. 

Das Konzept der unterschiedlichen Typen

1-3 stehende Gewässer: mit reduzierenden Bereichen

4-5: fliessende Gewässer: ohne reduzierende Bereiche.

Bei 5 biete ich in der Filterzone zusätzliche Nährstoffe an, um den Biofilm besser zu entwickeln.  

Die Wesnersche Definition des Schwimmteiches. Nur mechanische und biologische Reinigung

 

Die 10 Gebote des Schwimmteiches, nach Wesner

 

1.  Kein Wasserverlust

2.  Kein Randeintrag

3. Strickte Trennung von äroben und anaeroben Zonen

4. pH bei 8.4

5. Nitiritabbau muss gewährleistet sein

6. Phosphor ist das limitierende Element,

7. Keine P-haltigen Baumaterialien (Kiese)

8. Den Einträgen (P und C) müssen ausreichend Austragswege entgegengesetzt werden.

9. Ein ausgewogenes Nährstoffverhältnis  (C:N:P) soll gewährleistet sein.

10. Optimierung der Anströmung nach (Konzentration P (g/m3) x Anströmung (m3/h) = ca. Biomasse (g/h) Gilt auch für Algen.

 

Workshop Biofilm

Das bedeutet, dass die Becken nicht angeströmt werden sollen.

In dieser Formel steckt auch die Kategorisierung der Teiche 

Ich setze diesen oder jenen Wert auf 0, wenn ich Biomasse verhindern will. In stehenden Gewässern kann ich auch Faulschlamm haben, sofern  keine Durchströmung ist.

Bei Kat. 1 sollte auch keine Luftdurchmischung stattfinden. Reg-Zone soll von Schwimmzone abgegrenzt werden. Ich muss die Walze durch den Wind verhindern,. Bei Anlagen ohne Pumpen muss die Trennwand sehr hoch sein.

Es soll dann auch kein Biofilm entstehen.

Kat. 1 Anlagen reinigen sich durch Pflanzen, Plankton und Sediment

 

Unter 4 µ kann P nicht mehr aufgenommen werden. = Wert 0

Das beste ist es, beide Werte möglichst tief zu halten.  

(Seerosen im Kübel mit Lehm etc. eintopfen. Kübel muss dicht sein.)

Die Phophaltlimitierung schränkt die Bepflanzung ein

Zyperngras, Carex, Minze, Iris pseud. Blutweiderich.

Ausweichmöglichkeit sind gedeckelte Pflanzbereiche.  

Durchströmte Teiche sind Pflanzenarm. 

Erläuterungen zu den 10 Geboten 

Kein Wasserverlust

-         vollständige Abdichtung -         kein Lehm/ Ton , Beton -         Kapillarsperre: Kein Wasser von innen nach aussen.

-         Nachfüll-Wasser weniger als < 4 µ P/l Wasser muss aufbereitet werden.

-         Wasser sollte nur diskontinuierlich aufgefüllt werden. > 3 Wochen Abstand zwischen Befüllung.

 Kein Randeintrag

-         sichere Entwässerungen schaffen

-         auch bei Starkregen sicher

 

Strickte Trennung von aeroben und anaeroben Zonen.

-         alle Bereiche welche mit dem Beckenwasser in verbindung stehen sind immer sauerstoff-versorgt.

-         Bei anaeroben entsteht Ammonium. Bei aerob Nitrat. In den Zwischenzonen entsteht Nitrit, was sehr problematisch ist und desinfiziert.  Sauerstoffreiches und o-armes Wasser dürfen nicht miteinander vermischt werden. Jede Schüttung die nicht durchströmt wird, wird anaerob. Die Abdichtung kann mit Lehm oder Bentonit oder Folie gemacht werden. Z,B. in Filterzonen, die nicht durchströmt ist und grenzt diese Zone an eine durchströmte Zone gibt es dazwischen eine Nitrit-Zone.

 

Das pH Optimum ist 8.4 (Kalkpufferung) Dies ist ein von der Natur vorgegebner Wert.

Die Amplitude ist in Fliessgewässern gering, wenn ich geringe Bepflanzung habe.

Genutzt wird Kalkstein.

Saure Gewässer sind möglich. Zeigen aber eine geringe Abbauleistung.

CO2 kann sich bei pH unter 7 nicht mehr lösen. Das Kohlensäure – Kalk-Gleichgewicht funktioniert dann nicht.

Reine Silikatteiche können saniert werden, wenn ca. 1 m3 Kalkkies (Marmor) eingebracht werden.

 

Nitritabbau muss gewährleistet sein

Nitritoxydase hemmt sich selber.

pH. < 8.8

Andere Stoffe sind Tropenholz, welche verhindern dass Nitrite abgebaut werden. Nicht bei Tanne und Föhre. Gefahr auch bei Ipe-Holz.

Mit Trockeneis kann die Nitration gefördert werden. Bei Beton oder zu hohem pH

 

Stickstoffkreislauf in Seen

Der organisch gebundene Stickstoff, zum Beispiel in toter Biomasse, wird durch Destruenten in der tropholytischen Schicht zu Ammoniak (NH3) umgewandelt, das mit Wasser Ammonium-Ionen (NH4+) ergibt (NH3 + H2O → NH4+ + OH−).

Unter aeroben Verhältnissen oxidieren aerobe Bakterien das freigesetzte Ammoniak bei der Nitrifikation erst zu Nitrit (NO2−) und dann zu Nitrat (NO3−).

Liegen anaerobe Verhältnisse vor (zum Beispiel durch die Sauerstoffzehrung aerober und fakultativ anaerober Mikroorganismen) können bestimmte anaerobe Bakterien Nitrat über Nitrit zu Ammonium reduzieren. Dieser Vorgang wird als Nitratammonifikation bezeichnet. Andere Bakterien wandeln Nitrat bei der Denitrifikation zu Stickstoff (N2) um, indem sie es für ihren oxidativen Energiestoffwechsel als Oxidans verwenden. Das entstandene N2 wird freigesetzt und gelangt dadurch in die Atmosphäre.

In der trophogenen Schicht entzieht Phytoplankton Stickstoff aus dem noch vorhanden Nitrat und Ammonium für die Synthese körpereigener Stoffe, zum Beispiel Proteine. Dadurch wird also neue Biomasse produziert. Diese Biomasse gelangt nun in die Nahrungskette. Konsumenten 1. und 2. Ordnung geben das beim Abbau organischer Stoffe gebildete Ammoniak wieder in den Stickstoffkreislauf ab.

Zusätzlich binden einige Bakterien, zum Beispiel einige Arten von Cyanobakterien, elementaren Stickstoff N2 durch Reduktion zu NH3 (Stickstoff-Fixierung). Durch Absterben dieser Bakterien gelangt zusätzlich Stickstoff in den Kreislauf.

Der Stickstoffkreislauf ist nun geschlossen.

Die Nitrifikation [

Die Nitrifikation ist Teil des natürlichen Stickstoffkreislaufes, wobei Ammoniak zu Nitrat oxidiert wird. Bakterien, die hierbei beteiligt sind, bezeichnet man als Nitrifizierer. Die Gattung Nitrobacter hat somit eine große ökologische Bedeutung. Im ersten, vorausgehenden Schritt der Nitrifikation werden durch andere Bakterien wie Nitrosomonas – die man entsprechend „Nitrosifizierer“ oder „Nitritbakterien“ nennt – Ammoniumionen (NH4+) zu Nitritionen oxidiert. Man spricht deshalb auch von „Ammoniakoxidierern“.

Nitrobacter und andere nitrifizierende Bakterien findet man gehäuft in stark verschmutzten Gewässern, da dort viel Ammoniak vorhanden ist. 

Phosphor ist das limitierende Element 

Der Phosphorkreislauf

Phosphorverbindungen gelangen größtenteils durch Gesteinsverwitterung ins Gewässer. Phosphat (Salz der Phosphorsäure) ist ein wichtiges Mineralsalz, welches Pflanzen zum Aufbau von ATP benötigen. Da ATP die Energie für die Glukosebildung liefert, ist Phosphor unentbehrlich für Pflanzen.

Phosphate waren früher der limitierende Faktor beim Pflanzenwachstum. Somit schränkte das Phosphat das Pflanzenwachstum ein, obwohl andere Mineralsalze im genügenden Maße vorhanden waren. Das vorhandene Phosphat wurde über Symbiosen immer wieder den Pflanzen zugänglich gemacht: Überreste von Pflanzen und Tieren (Detritus) wandern in Richtung des Grundes des Gewässers. Auf diesem Weg kann ein Teil des Detritus bereits von Bakterien zersetzt werden. Dabei werden die Phosphate freigesetzt, stehen also den Pflanzen erneut zur Verfügung. Dies ist der normale Phosphorkreislauf im oligotrophen (nährstoffarmen) See.

Die landwirtschaftliche Düngung und phosphathaltige Waschmittel haben im Laufe der Zeit zu einer Eutrophierung (Nährstoffanreicherung) der Gewässer geführt. Durch eine Anreicherung von Phosphat in einem Gewässer spielt Phosphat nicht mehr den limitierenden Faktor beim Pflanzenwachstum. Dadurch gibt es mehr Pflanzen und es steigt auch die Anzahl der Tiere, da ihnen mehr Nahrung zur Verfügung steht.

Wenn es mehr Pflanzen gibt, dann sterben auch mehr von ihnen ab. Dies wiederum bedeutet, dass die abgestorbene Biomasse von immer mehr Bakterien zersetzt werden muss. Da diese Bakterien größtenteils Sauerstoff benötigen, wird irgendwann mehr Sauerstoff verbraucht, als wieder hinzugeführt wird.Die Folge ist, dass die Zersetzung des Detritus lediglich von Bakterien vorgenommen wird, die ohne Sauerstoff leben können. Da von diesen Bakterien aber nicht alles zersetzt werden kann, entsteht am Grund des Gewässers eine immer größer werdende Schlammschicht aus nicht abgebauter Biomasse.

Des Weiteren kann das Phosphat unter aneroben (sauerstoffarmen) Bedingungen nicht wieder an den Grund gebunden werden. Der Grund liegt darin, dass kein  am Grund des Gewässers vorliegt, welches mit Phosphat zu Eisenphosphat  reagiert und somit das Phosphat daran hindert wieder an die Oberfläche zu wandern. Daraus folgt, dass den Pflanzen wiederum mehr Phosphat zur Verfügung steht und die Eutrophierung wird immer stärker bis das Gewässer letztendlich „umkippt“. Dies bedeutet, dass irgendwann durch den Sauerstoffmangel keine Lebewesen (außer anerobe Lebewesen) mehr im Gewässer leben können und dass nur noch eine „breiige Schlammasse“ zurück bleibt.

Ein weiter umweltschädlicher Vorgang, der durch die Eutrophierung hervorgerufen wird, besteht darin, dass Methan und Schwefelwasserstoff (giftig) aus dem Schlamm entweichen, welche die Tiere im Gewässer töten und Lebewesen außerhalb des Gewässers stark in ihrer Lebensform beeinträchtigen.

Im Weiteren muss die Jahreszeit berücksichtigt werden. Im Sommer ist die Eutrophierung höher als im Winter.

Heutzutage wurde das Phosphatproblem zum größten Teil gelöst. In den Waschmitteln ist weniger Phosphat enthalten und in der Landwirtschaft wurden Verordnungen geschaffen, die es verbieten, so viel zu düngen wie man will.

 

 

Limitierung von Algen P < 10 µ/l

L. von Biofilm P < 4µ/l

P kommt nie von alleine.

Keine P-Haltige Baumaterialien.

 

Kies: P org  <1 mg/kg,  P anorg <5mg/kg, Glühverlust 550oC  < 0.5%

Der Kies sollte vorgängig geprüft werden. P-belastete Kiese könnten grundsätzlich gereinigt werden. Sie stammen meist aus ehem. Bachläufen. (P-org.)

Man kann den P auch selber prüfen, wenn man Kies in schwarze Kübel mit Wasser gibt und dann schaut, ob sich Algen bilden.

 

Den Einträgen (P und C) müssen quantitativ ausreichend Austragswege entgegengesetzt werden 

Eintrag

-         Badegäste

-         Füllwasser

-         Laub, Staub 

Festlegung:

-         Sedimentation

-         Pflanzenwachstum

-         Filter (Biofilm) Biofilm soll auch geerntet werden, Absterben lassen und ausspühlen. Mind. 1 Woche.  

Austrag:

-         Reinigung

-         Reinigung automatisch Robi, Simmer

-         Ernte Pflanzen

-         Ernte Biofilm 

Ausgewogenes Nährstoffverhältnis

C:N:P    = 100:10:1

Bzw. (P =0, N>0, C>0 

Bei stehenden Gewässern entsteht schlamm, der bildet Ammonium und muss nicht unbedingt gedüngt werden.

Bei Fliessgewässern  muss N-Gedüngt werden.  

Optimierung der Anströmung.

Minimierung der Durchströmung im Schwimmbereich

Optimierung der Durchströmung im Filterbereich.

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