Wasserreinigung mit Biotechnologie Kombinierte Kraft von Bakterien und Pilzen für bessere Kläranlagen

Neuer Ansatz für die Wasseraufbereitung: Die Kombination von Bakterien und Pilzen verstoffwechselt Nitrit und Nitrat besonders effizient. In einer neuen Studie haben Forscher vielversprechende Gemeinschaften dieser Organismen identifiziert und für die Weiterentwicklung der Biotechnologie in der Wasseraufbereitung entscheidend sein könnten.

Die biologische Stickstoffentfernung, auch Denitrifikation genannt, ist ein wichtiger biochemischer Prozess. Dabei wandeln Mikroorganismen zwei der wichtigsten Stickstoffverbindungen, Nitrat und Nitrit, in gasförmigen Stickstoff um. Dies geschieht in Gewässern auf natürliche Weise durch Stoffwechselprozesse der dort lebenden Organismen und wird als Selbstreinigungskraft bezeichnet. Dieses Prinzip macht man sich auch bei der Wasseraufbereitung zunutze.

Bisher wurden verschiedene Bakterien und Pilze in Reinkultur identifiziert, die Stickstoff mit und ohne Sauerstoff abbauen können. Für die Wasseraufbereitung ist vor allem der Stickstoffabbau in Gegenwart von Sauerstoff relevant, da er kostengünstiger und zudem großtechnisch umsetzbar ist.

Pilz-Bakterien-Kombinationen schon im Einsatz

Die Isolierung einzelner Bakterien- oder Pilzstämme ist allerdings aufwändig und teuer. Kombinationen aus beiden, so genannte mikrobielle Konsortien, gelten als vielversprechende Alternative zu reinen Stämmen, sind aber auf dem Gebiet der Denitrifikation in Gegenwart von Sauerstoff noch wenig erforscht.

Ein Team aus Forschern des chinesischen Ministeriums für natürliche Ressourcen in Xiamen und des Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) hat nun das Potenzial solcher Gemeinschaften aus Bakterien und Pilzen untersucht, da mikrobielle Konsortien beispielsweise bei der Fermentation von Lebensmitteln und Getränken schon lange erfolgreich eingesetzt werden. Gerade Pilze haben den Vorteil, dass sie sehr robust gegenüber Umweltstressoren wie saurem pH-Wert und hohen Temperaturen sind.

Abwasseraufbereitung

Wie räuberische Mikroben die Wasseraufbereitung beeinflussen

Mikrobengemeinschaft entfernt Nitrat fast vollständig

Das Forschungsteam identifizierte ein natürliches Bakterien-Pilz-Konsortium aus Marikulturen, das Nitrat sehr effizient und konstant aus dem Wasser entfernt. In Gegenwart von Sauerstoff beträgt die Nitratentfernung bis zu 100 Prozent und die Denitrifikationseffizienz 44 Prozent. Die Denitrifikationseffizienz gibt an, wie gut Mikroorganismen in der Lage sind, den im Nitrat gebundenen Stickstoff in molekularen Stickstoff (N₂) und Stickoxide umzuwandeln.

Mittels Hochdurchsatzsequenzierung wurden die an diesem Prozess beteiligten Bakterien- und Pilzgattungen identifiziert. Eine anschließende Netzwerkanalyse zeigte, welche Arten positiv miteinander interagieren und sich daher besonders für eine Kombination eignen.

„Es ist uns gelungen, denitrifizierende Bakterien-Pilz-Gruppen zu identifizieren, die das Potenzial haben, Nitrat besonders gut aus dem Wasser zu entfernen. Das ist ein wichtiger Schritt, um mikrobielle Konsortien für eine optimale Wasseraufbereitung zusammenzustellen“, erklärt IGB-Forscher Professor Hans-Peter Grossart, Mitautor der Studie.

Da die Suche nach geeigneten Mikroorganismen-Gemeinschaften aus Bakterien und Pilzen noch ein sehr junges Forschungsgebiet ist, gibt es noch keine Anwendungen in der Praxis. Die Autoren sind sich aber sicher, dass diese in Zukunft die Biotechnologie in der Abwasseraufbereitung deutlich prägen werden.

Originalpublikation: Xiaotian Zuo; Wei Xu; Shiping Wei; Shuangcheng Jiang; Yu Luo; Minghuang Ling; Kai Zhang; Yuanhao Gao; Zhichao Wang; Jiege Hu; Hans-Peter Grossart; Zhuhua Luo: Aerobic denitrifying bacterial-fungal consortium mediating nitrate removal: dynamics, network patterns and interactions, iScience. - 26(2023)6; DOI: 10.1016/j.isci.2023.106824

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