Identification and detection of indicator organisms in technical systems

Wasser ist ein essentieller Grundstoff für alle Organismen der Erde und damit einer der wichtigsten Ressourcen. Die Forschung auf dem Gebiet der Wasserwiederverwendung und Wasserrückgewinnung ist von enormer Bedeutung. Durch die Teilnahme an einem internationalen Forschungsprojekt entstand die Motivation, Überwachungs- und Kontrolloptionen für Desinfektionsprozesse weiterzuentwickeln. In der konventionellen Abwasserbehandlung sind Desinfektionsmaßnahmen der vierten Reinigungsstufe nicht vorgesehen. Doch bei der Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser für Bewässerung von landwirtschaftlich genutzten Flächen oder für Reinigungs- und Spülarbeiten ist eine gute Qualität des Abwassers relevant. Insbesondere für Gewässer nahe dem Klärwerk, die zur Freizeitgestaltung beziehungsweise zur Trinkwassergewinnung genutzt werden, ist eine hohe Wasserqualität erforderlich. Im Abwasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere pathogene, sollten weitestgehend durch Desinfektionsmaßnahmen inaktiviert werden. Zur Einschätzung der Desinfektionseffizienz diverser Desinfektionsmaßnahmen in der Abwasserbehandlung wurde im Rahmen dieser Arbeit die PMA-qPCR angewendet. Der DNA-Farbstoff PMA diffundiert in membrangeschädigte Zellen und bindet an die DNA. Durch eine Blaulichtbestrahlung wird die DNA-Bindung irreversibel und inhibiert die nachfolgende qPCR. Darüber hinaus wurden Indikatororganismen festgelegt, deren molekularbiologische Detektion eine Beurteilung der Desinfektionsleistung erleichtern sollen. Neben dem klassischen Indikatororganismus Escherichia coli für fäkale Verunreinigungen wurde der Biofilm-bildende Organismus Pseudomonas aeruginosa und die häufig in Biofilm vorkommende Gattung Legionella ausgewählt. Darüber hinaus wurde aufgrund einer robusten Zellwand Mycobacterium sowie die Sporen-bildende Gattung Clostridium als Indikatororganismus festgelegt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Desinfektionseffizienz von UV-Bestrahlung durch PMA-qPCR nicht beurteilt werden kann. Im Gegensatz dazu können Abwasserdesinfektionen in Form von Säurebehandlungen (zum Beispiel mit Perameisensäure oder Peressigsäure) durch die PMA-qPCR erfasst werden. Jedoch wird die zusätzliche Anwendung der klassischen Kultivierungsverfahren empfohlen, um die Unterschätzung falsch-positiver Signale der PMA-qPCR zu vermeiden.Water is an important resource on earth hence investigations of water reuse and water recovery are essential. Waste water can be reuse of irrigation as well as cleaning procedures. Particularly if adjacent waters are use of drinking water production or leisure activities, a high water quality is essential and recommended. Disinfection processes in waste water treatment plants could reduce pathogens and therefore improve the quality of treated waste water. The aim is to develop a fast and applicable monitoring tool for disinfection efficacy in waste water treatment plants. To investigate the influence of different disinfection steps, water samples were collected in waste water treatment plants. To monitor the success of the disinfection treatment on all relevant microbiological parameters a cultural approach would take very long (several days). Molecular methods can yield much faster results (several hours) and could even be used to check for non-culturable microbiological contaminants. Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Clostridium, Legionella and Mycobacterium were determined to estimate the disinfection efficacy. When applying molecular methods like PCR to environmental samples in contrast to microbiological methods, one of the most prevalent problems is a distinction between viable (live) and nonviable (dead) cells cannot be accomplished easily. Dead and living cells both contain DNA, which can be detected with molecular methods. PMA is a photoreactive DNA-binding dye that can be used to inactivate the DNA of compromised bacterial cells prior to PCR. The dye passes only the cell membrane of those bacteria that have been damaged by the disinfectant and a specific LED light can be used to induce a photoreaction between the PMA and the DNA that will lead to a covalent. This binding will render the DNA non-amplifiable by PCR. Living organisms do not react with PMA as they have an intact cell membrane. After treatment with PMA only the DNA of living bacteria remains amplifiable by PCR. Bound PMA inhibits the subsequent amplification step from dead or damaged cells thus the PMA treatment provides a differentiation between live and membrane compromised cells. In conclusion, this dissertation shows that PMA-q-PCR is not applicable for UV treated cells. But in contrast the efficacy of disinfection with acids like performic acid and peracetic acid can be detect by PMA-qPCR. Nevertheless, additional analysis by cultivation methods are recommended