Enzyme des Polyphosphatstoffwechsels unterschiedlicher Bakterien im Zusammenhang mit der biologischen Phosphateliminierung aus Abwasser

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1 3 Enzyme des Polyphosphatstoffwechsels unterschiedlicher Bakterien im Zusammenhang mit der biologischen Phosphateliminierung aus Abwasser vorgelegt von Diplom-Biochemikerin Kerstin Bark aus Tübingen Vom Fachbereich 21 Umwelttechnik der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigte Dissertation Tag der wissenschaftlichen Ausprache: Berichter: Prof. Dr. W. Dott 2. Berichter: Prof. Dr. G. Kraepelin Berlin 1992 D83

2 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung Bedeutung des Elements Phosphor in aquatischen Systemen Verfahren zu Phosphateliminierung aus Abwasser Chemische Fällung Biologische Verfahren Phosphateliminierung in der Kläranlage Berlin-Ruhleben Stoffwechselphysiologische und biochemische Grundlagen der biologischen Phosphateliminierung aus Abwasser Polyphosphat Biochemische Modellvorstellungen zur Polyphosphat Speicherung Enzyme des Polyphosphatstoffwechsels ATP Regenerationssystem Polyphosphatkinase Polyphosphat Glucokinase Polyphosphatabhängige NAD Kinase Polyphosphatabhängige 3-Phosphoglyceratkinase Ziel der Arbeit 18 2 Material und Methoden Materialien Kultivierung und Anzucht von Bakterien Trockensubstanzbestimmung Identifizierung der Isolate aus Belebtschlamm Physiologische Charakterisierung und numerische Identifizierung Analyse der Polyamine und Fettsäuren 24

3 2.3.3 Analyse des Proteinmusters ganzer Zellen Polyphosphat Bestimmungen Quantitative Bestimmung von Phosphat Isolierung von Polyphosphat Granula Elektronenmikroskopische Darstellung der Polyphosphat Granula Kontinuierliche Polyacrylamid Gelelektrophorese Wachstum in Anwesenheit eines Atmungskettenentkopplers Zellaufschlußmethoden Lysozymbehandlung Behandlung mit dem Detergenz TritonXIOO Aufschluß mit Ultraschall Zellaufschluß durch French Presse Proteinbestimmung Bestimmung von Enzymaktivitäten Polyphosphat: AMP Phosphotransferase Adenylatkinase Polyphosphatkinase Polyphosphat Glucokinase Polyphosphatabhängige NAD Kinase Glucose-6-Phosphatabhängige NAD Kinase Polyphosphatabhängige 3-Phosphoglyceratkinase ATP abhängige 3-Phosphoglyceratkinase Berechnung der Enzymaktivitäten Charakterisierung der Enzyme Temperaturvariation ph-variation Magnesiumvariation 49 3 Ergebnisse Charakterisierung von Bakterienisolaten aus Belebtschlamm der Anlage Berlin-Ruhleben Identifizierung mittels physiologischer Tests 50

4 3.1.2 Analyse des Polyamin- und Fettsäuremusters der Acinetnhacter Isolate aus Belebtschlamm im Vergleich zu Acinetobacter Referenzstämmen Gesamtzellproteinmuster der Acinetohacter Isolate aus Belebtschlamm im Vergleich zu Acinetohacter Referenzstämmen Identifizierung von Bakterienisolaten aus Belebtschlamm der Laboranlage Dresden mittels physiologischer Tests Erfassung der Phosphateinlagerungskapazität von Bakterien Polyphosphat Fraktionierung Kettenlängenbestimmung Elektronenmikroskopische Untersuchungen Übersicht über den Gehalt an Polyphosphat in Bakterienisolaten aus der Anlage Berlin-Ruhleben Polyphosphat Gehalt von Acinetobacter Isolaten aus Belebtschlamm im Vergleich zu Acinetnhacter Referenzstämmen Funktion des Polyphosphatspeichers im Acinetobacter Isolat Polyphosphat Gehalt weiterer Isolate aus Belebtschlamm der Anlage Berlin-Ruhleben Übersicht über den Gehalt an Polyphosphat in verschiedenen Isolaten aus Belebtschlamm der Laboranlage Dresden Enzyme des Polyphosphatstoffwechsels Polyphosphatabhängige Enzymaktivitäten der Bakterienisolate aus Belebtschlamm der Kläranlage Berlin-Ruhleben Polyphosphatabhängige Enzyme in Isolaten der Gattung Acinetobacter aus Belebtschlamm im Vergleich mit Acinetohacter Referenzstämmen Polyphosphatabhängige Enzyme in weiteren Isolaten aus Belebtschlamm der Anlage Berlin-Ruhleben Polyphosphatabhängige Enzymaktivitäten der Bakterienisolate aus Belebtschlamm der Laboranlage Dresden Charakterisierung der Polyphosphat: AMP Phosphotransferase Temperaturoptimum der Polyphosphat: AMP Phosphotransferase 93

5 ph-optimum der Polyphosphat: AMP Phosphotransferase Magnesiumabhängigkeit der Polyphosphat: AMP Phosphotransferase Aktivität der Polyphosphat: AMP Phosphotransferase im Verlauf einer kontinuierlichen Kultur Charakterisierung der Polyphosphat Glucokinase Temperaturoptimum der Polyphosphat Glucokinase ph-optimum der Polyphosphat Glucokinase Magnesiumabhängigkeit der Polyphosphat Glucokinase 98 4 Diskussion Bakterienflora der Kläranlage Berlin-Ruhleben Isolate der Gattung Acinetobacter aus Belebtschlamm im Vergleich mit Acinetobacter Referenzstämmen Polyphosphatgehalt der Acinetohacter Isolate im Vergleich zu den Acinetohacter Referenzstämmen Polyphosphatabhängige Enzyme der Acinetobacter Isolate im Vergleich zu den Acinetobacter Referenzstämmen Begleitende Untersuchungen zu einer kontinuierlichen Kultur Weitere Isolate (nicht Acinetohacter) aus Belebtschlamm der Kläranlage Berlin-Ruhleben Übersicht über die Belebtschlamm Biozönose der Laboranlage Dresden Polyphosphat Gehalt der Isolate aus Belebtschlamm der Laboranlage Dresden Polyphosphatabhängige Enzyme bei Isolaten aus Belebtschlamm der Laboranlage Dresden Modellvorstellungen zur biologischen Phosphateliminierung aus Abwasser Zusammenfassung Literatur Abkürzungsverzeichnis 134

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