Über die Bedeutung des Biofilms in der Wasseraufbereitung im Badeteich

Mittlerweile ist es einigermassen unbestritten, dass die eigentliche Reinigungsleistung und Wasseraufbereitung im Badeteich in den Biofilmen stattfindet. Biofilme entwickeln sich über allen Oberflächen, welche von einem Nährmedium angeströmt werden. Auch Wasser kann als solches bezeichnet werden, befinden sich doch in fast allen Wässern mehr oder weniger viele Nährstoffe. Voraussetzung für die Entstehung von Biofilmen ist die Existenz einer Grenzfläche, das Vorhandensein von Wasser, die Anwesenheit von Mikroorganismen und das Angebot an Nährstoffen. (Diss. Jürgen Scheen, 2003). Die Organisation der Mikroorganismen im Biofilm kann als eine sybiotische Gemeinschaft angesehen werden, die den Eigenschaften von Vielzellern nahe kommen kann. (Costerton et al., 1995). Biofilm in Bachlauf
Das Vorkommen von Mikroorganismen ist ubiquitär. Sie erfüllen wichtige Funktionen bei der Selbstreinigung von Gewässern, Böden und Sedimenten. Die Grenzflächen des Wassers sind besonders beliebte Besiedlungsräume, an denen sie sich akkumulieren und Biofilme bilden (Flemming, 2000a). Das Vorkommen von Biofilmen in allen natürlichen Habitaten ist auch auf ihre evolutionäre Entwicklung zuruückzufuühren
Biofilm besteht nun nicht nur aus Mikroorganismen, sondern ebenso wichtig sind die EPS (Extrazelluläre polymere Substanzen). Diese sind die Schlüsselmoleküle für Struktur, Funktion und Organisation von Biofilmen. Allerdings wird die EPS von den Mikroorganismen aufgebaut und kann von einer Mischpopulation wieder abgebaut werden.
Im Badeteich des Typ 4 und 5 wird im Filtermedium ein Biofilm aufgebaut, der zum Zweck hat, dem Badewasser Nährstoffe zu entziehen, so dass im eigentlichen Schwimmbereich der Biofilm auf ein Minimum reduziert werden kann. Dabei geht man von der Formel aus, dass die innere Oberfläche des Filtermediums um den Faktor 50 grösser sein soll als die Oberfläche im Badebereich. (Wesner 2009). Mit dieser Formel wird spekuliert, dass der Biofilm im Badebereich um den Faktor 50 kleiner ausfallen sollte als im Filtermedium. Dies kann dann stimmen, wenn die Strömungsverhältnisse aber auch die anderen physikalischen und Chemischen Parameter gleich sind. In einem Faktor unterscheiden sich die beiden Oberflächen aber grundsätzlich: Die Oberflächen im Badebereich sind dem Licht ausgesetzt, die Zusammensetzung des Biofilms ist also eine andere, da hier abiotischer Kohlenstoff (CO2) als C-Quelle zur Verfügung steht. Über diese Unterschiede wurden noch keine Untersuchungen angestellt.
Schwimmteiche der Kat 4 und 5 sollen gemäss der neuesten Ö- aber auch CH-Norm, resp. Empfehlung, P- reduziert sein. Der Biofilm hat nun die Aufgabe, diese Reduktion bei laufendem Betrieb zu stabilisieren, resp. P-Einträge z.B. durch Badende aber auch durch atmosphärische Ereignisse oder organische Einträge aufzunehmen und so den Aufwuchs des Biofilms im Schwimmbereich oder planktische Entwicklungen weitgehend zu verhindern. Bei modernen Badeteichen insbesondere der Kat.5 aber auch Kat. 4 wird nun nach Optimierungsmöglichkeiten des Biofilmes gesucht.
Ein wichtiger Aspekt ist der Durchfluss, resp. die Anströmung des Filtermediums. Je besser dieser gewährleistet ist, je besser die Nährstoffanlieferung, desto besser ist die Entwicklung des Biofilmes. Dies ist im wesentlichen eine hydraulische und technische Frage. Wie kann der Wasserfluss gesteuert werden, dass er den ganzen Filterbereich gleichmässig und in ausreichender Geschwindigkeit durchströmt. Bereiche, die nicht oder ungenügend durchströmt werden, wirken auf das gesamte System eher negativ, da hier anaerobe Zustände entstehen, die sehr ungünstige Auswirkungen haben können. (Entstehung von Schwefelwasserstoffen, Methan, Nitrit, die toxisch wirken)
In einem normal versorgten Biofilm können wir allerdings auch eine anaerobe Zone beobachten. Hier findet die sog. Methanogenese statt, deren Abbauprodukte in der aeroben und der fakultativ aeroben Zone wieder umgebaut werden.
Den Schwimmteichbauern geht es im wesentlichen um folgende Fragen:
- wieviel Phosphor kann der Biofilm aufnehmen
- kann ich die Aufnahme von Phosphaten beeinflussen und steuern
- welches ist die optimale Durchflussgeschwindigkeit
- wann ist die Aufnahmefähigkeit des Biofilmes für Phosphor (und natürlich auch für andere Elemente) erschöpft
- wie kann der Biofilm geerntet werden.

Die Antworten entstammen im wesentlichen der Dissertation vom Dipl. Biologe Jochen Scheen, Dortmund, 2003
Scheen hat den Einfluss des Stickstoffgehaltes des Nährmediums (Wasser) auf die Entwicklung von Biofilmen untersucht.
Diese Manipulationen sind für den Schwimmteichbauer insofern relevant, als diese mittels Stickstoffdünung einerseits das Pflanzenwachstum anregen, andererseits den Aufbau des Biofilmes (Wesner) unterstützen wollen. Biofilm

Wieviel Phosphor kann der Biofilm aufnehmen:
Unterwasserpflanzen (und auch höhere Wasserpflanzen) können frei verfügbaren Phosphor (Orthophoshpate) meist in der Form von PO4 bis zu ca. max. 25?g/l Medium aufnehmen, darunter verhungern sie, Algen schaffen es bis ca. 10? und der Biofilm bis ca. 4?g. Einschränkend muss erwähnt werden, dass die Optimalkonzentration bei Asterionella formosa bei 2?gP/l liegt, bei Uroglena und Dinobryon bei 5?gP/l. (Rodhe 1948, Provasoli 1958).
Biofilm kann bis 2% P in seiner Masse ™ speichern . Scheen (2003) kommt auf eine konstante Menge von 9-12 mgP/g Biofilm –TM.

Sofern genügend Platz und immer optimale Verhältnisse bestehen, kann sich der Biofilm theoretisch beliebig entwickeln. Allerdings wird irgend einmal das sog. Plateau-Stadium erreicht, bei dem die abrasiven Kräfte dem weiteren Wachstum entgegen wirken. Die maximale lebende Stärke des Biofilmes beträgt ca. 250?m. Wird immer weiter Nahrung angeliefert.so schiebt sich die lebende Schicht an Biofilm immer weiter nach aussen und schliesst die unteren Schichten beinahe hermetisch ab, die dann aber absterben. Er verhungert allerdings, wenn keine Anströmung mehr stattfindet und gibt dann die Nährstoffe wieder frei. In einem klassischen Badeteich entwickelt sich der Biofilm auf allen Oberflächen. Wird ein Filter (Kat. 4 und 5 ) eingesetzt, so entwickelt er sich natürlich auch auf der Oberfläche des Filtermediums (z.B. Kies)

Kann ich die Aufnahme des Phosphors beeinflussen?
Wie immer die Stickstoffgaben variiert werden, der Anteil an P bleibt sich im Biofilm immer gleich und beträgt relativ konstant ca. 1%. (Bei der Biofilm-Trockenmasse) Auch die Gehalte an C, H und O bleiben immer konstant.
Allerdings variiert die absolute Menge an Biofilm markant. Ein Maximum an Biofilm kann bei einem Verhältnis von 100:18:1 geerntet werden, fast viermal soviel wie bei einem Verhältnis von 100:1:1. Beim Verhältnis 100:12:1 konnte ca. 3,5 x soviel geerntet werden. Diese Menge bezieht sich aber nur auf die Biofilm-Trockenmasse. Bei der Biofilm-Feuchtmasse kann beim Verhältnis 100:5:1 am meisten geerntet werden und zwar rund 1/3 mehr als beim Verhältnis 100:10:1, das gleich ist wie bei 100:18:1.
Bei der Biofilm-Feuchtmasse kann allerdings beim Verhältnis 100:18:1 deutlich mehr P gemessen werden (ca 1.6mg/g), beim 100:10:1 nur ca 0.9 mg/g.
Je mehr Biofilm erzeugt wird, desto mehr P kann geerntet werden.
Das bedeutet, dass mit einem optimalen Verhältnis, resp. bei N-Mangel mit einer entsprechenden Düngung sehr wohl die Aufnahme von P verbessert werden kann.

Welchen Einfluss hat die Durchflussgeschwindigkeit?
Ein sehr wichtiger Faktor der Aufnahmefähigkeit von Nährstoffen allgemein und damit natürlich auch des Phosphors ist die Fliessgeschwindigkeit. Wesner (2010) postuliert folgende Formel dazu:
(Konzentration Mangelelement [g/m3]) x (Anströmung [m3/h]) ? (Biomasse [g/h])
M.Frei (2012) bestätigt diese Formel im empirischen Versuch, wobei Fliessgeschwindigkeiten bis 100 m/sek noch einen Aufbau von Biofilm ermöglicht. Diese Formel besagt, dass je höher die Durchflussgeschwindigkeit ist, desto mehr Biomasse wird gebildet.
Ist die Durchflussgeschwindigkeit allerdings zu langsam, wird kaum mehr Biofilm aufgebaut. Bei einer P-Konzentration im Wasser von ca. 10?g hört die Bildung von Biofilm unter einer Fliessgeschwindigkeit von unter 6m/h auf.

Wann ist die Aufnahmefähigkeit des Biofilmes für P erschöpft
Die Speicherfähigkeit von P geht parallel mit der Entwicklung des Biofilmes einher. Wie bereits erwähnt kann der Biofilm grenzenlos wachsen. Dies lässt sich beispielsweise an einem Quellstein beobachten, wo sich eine immer dickere Biofilmschicht ansiedelt. Allerdings ist auch hier nur die oberste Schicht biologisch aktiv.
Nicht zuletzt sind Biofilme durch eine hohe interne Dynamik gekennzeichnet. Die Mikroorganismen wachsen, ändern ihre Position im Biofilm, sterben ab, werden gefressen oder abgeschwemmt. Diese Prozesse führen zu ständigen Ausdehnungen und Schrumpfungen des Biofilms. (Oskar Wanner, Systemanalytiker und Wissenschaftler in der Abteilung «Siedlungswasserwirtschaft» sowie Martina Bauchrowitz, Biologin und Redaktorin der Eawag News.)
Wesner (2010) postuliert einen Faktor G, welcher den Lebensraum für den Biofilm in einem Filter umschreibt. Dieser Raum ist natürlich beschränkt. Dehnt sich der Biofilm aus, verringert sich der Hohlraum zwischen dem Filtermedium (z.B. Kies) und kann sich irgend einmal völlig schliessen. Vorher treten aber Durchströmungsschwierigkeiten auf, welche den Biofilm absterben lassen. Jeder Filter hat als nur ein beschränktes Volumen, welches dem Biofilm zur Verfügung steht. In einem Teich ohne Filter setzt sich Biofilm an allen Oberflächen an, die mit dem Wasser in Verbindung kommen. Kommen da nicht irgend welche Grazer (Schnecken u.a.), welche den Biofilm wegfressen, wächst dieser Film sozusagen unbeschränkt, sofern er ausreichend versorgt wird. Für die Fliessgewässer beschreibt Schwoerbel (1994a) folgende Eigenschaften: Die Dicke des Biofilmes wird hydraulisch reguliert, bei kritischer Dicke (z.B. nach langer Niedrigwasserführung) werden die obersten Lagen durch das bewegte Wasser abgerissen.
Abgestorbener Biofilm hat im weiteren nur eine eingeschränkte Verbindung mit dem Medium und kann durch Scherkräfte leichte abgeschabt werden. Das sieht man wiederum am Quellstein, wo solche Biofilmfetzen mit der Zeit abfallen. Das kann auch in einem Rohrsystem der Fall sein.
Möglicherweise müsste man das G so definieren, dass es erreicht wird, wenn die gesamte Oberfläche des Filters mit dem Primärfilm besetzt ist.

Wie kann der Biofilm geerntet werden
Im Badeteich oder im Naturpool hat sich die Erkenntnis durchgestzt, dass Filter (rück)gespült werden müssen. Dies hat dreierlei Gründe:
1. den zur Verfügung stehenden Raum in einem Filter auszuwaschen und so Platz für einen neuen Biofilm zu schaffen
2. Man will die im Biofilm gesammelten Nährstoffe (vor allem eben die Phosphate) aus dem Weiher entfernen
3. Wird die Durchsrömung des Filters für einige Zeit eingestellt (Winterruhe, Sanierungsarbeiten etc) stirbt der Biofilm ab und würde bei Wiederinbetriebnahme die freigesetzten Nährstoffe wieder in das System einspeisen und so das Algenwachstum stark anregen.

Heute noch zu wenig erforscht ist die Zeitdauer, nach welcher der Biofilm effektiv abstirbt und seine in den lebenden Organismen gespeicherten Nährstoffe wieder frei gibt. Im weiteren ist ungeklärt, wieviel von diesen Nährstoffen bei der relativ sanften Spülung mechanisch überhaupt verfrachtet werden können. Man vermutet einfach, dass in einem gut gebauten Filter ein erheblicher Teil abgeschwemmt wird. Dies lässt sich allein schon olfaktorisch erkennen, finden in den stillgelegten Filtern doch reduzierende Prozesse statt (die nicht zuletzt durch die Absenkung des pH verantwortlich sind, dass auch Phosphate aus ihren Verbindungen heraus gelöst werden können). Bereits bei <10% O2 -Sättigung setzt die Mobilisierung de P ein und bei <<0.5g O2/ kommt es zur fast explosionsartigen Freisetzung vom PO43- aus dem Sediment.
(Frevert 1979, 1980 in 'Einführung in die Limnologie’ J. Schwoebel). Diese Beschreibung bezieht sich auf Sedimente, in Biofilmen gelten selbstredend ähnliche Prozesse. Allerdings mit dem Unterschied, dass in den Sedimenten der Phosphor vor allem in Eisenverbindungen vor. Nur nebenbei sei erwähnt, dass in Fliessgewässern solche Prozesse praktisch nie vorkommen, insbesondere nicht in den ultra- oder oligotrophen Gewässern, wie sie mit den Badeteichen der Kat. 4 oder 5 zu vergleichen wären.
Insofern macht die Zuordnung der Kat. 4 und 5 zu den Fliessgewässern, wie von Wesner vorgeschlagen, keinen Sinn, denn in Fliessgewassern kommen praktisch nie sauerstoffarme Situationen vor.
Man weiss nur, dass die Rückspühlung etwas bringt. Quantifizieren lässt sie sich (noch) nicht.
Mit diesen Überlegungen sind die Fragen zum Biofilm erst laienhaft angedacht. Ich masse mir im weiteren nicht an, dies in diesem Aufsatz auch nur annähernd wissenschaftlich abhandeln zu können.
Es sind lediglich Gedanken und Fragen eines praktizierenden Schwimmteichbauers.

Untenstehend zwei selbst gemachte Filme über das Leben im Biofilm. Vermutlich handelt es sich dabei um Gliederwürmer, die eifrig am Bakterienfressen sind. 

 

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