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Abwasser

Auf der Suche nach Nitrospira

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die meisten Menschen nutzen täglich sanitäre Anlagen, ohne darüber nachzudenken, was anschließend in den Kläranlagen mit dem Abwasser passiert. Ein Team der Universität Wien unter Leitung von Dr. Holger Daims untersucht in einem Projekt Nitrospira-Bakterien, die maßgeblich an der Abwasserreinigung beteiligt sind.

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1 Nachweis der Mikrokolonien von Nitrospira (gelb) sowie anderer Bakterien (grün) in Klärschlamm mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (Bilder: Universität Wien, Department für mikrobielle Ökologie).
1 Nachweis der Mikrokolonien von Nitrospira (gelb) sowie anderer Bakterien (grün) in Klärschlamm mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (Bilder: Universität Wien, Department für mikrobielle Ökologie).
( Archiv: Vogel Business Media )

LaborPraxis: Herr Dr. Daims, Nitrospira-Bakterien spielen eine wichtige Rolle in der Abwasserreinigung. Welche besonderen Eigenschaften haben diese Bakterien und wo kommen sie vor?

Dr. Daims: Bakterien der Gattung Nitrospira gewinnen Energie aus der Oxidation von Nitrit zu Nitrat und wachsen mit CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle, sie sind also chemolithoautotroph. Die Nitrit-Oxidation ist der zweite Schritt der Nitrifikation, d.h. der Oxidation von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat. Sie ist ein zentraler Prozess des Stickstoffkreislaufs in der Natur und spielt auch in der Abwasserreinigung eine wichtige Rolle. Überschüssiger Stickstoff liegt im Abwasser hauptsächlich als Harnstoff und Ammonium vor. Würde er in natürliche Gewässer gelangen, hätte dies die Eutrophierung der Gewässer sowie Fischsterben durch freigesetzten Ammoniak und Nitrit zur Folge. Um dies zu verhindern, wird der Stickstoff in Kläranlagen weitgehend aus dem Abwasser entfernt. Ohne Nitrifikation und ohne Nitrospira-Bakterien im Klärschlamm wäre dies in den meisten Anlagen jedoch nicht möglich.

LaborPraxis: Durch ihre wichtige Bedeutung sollten diese Bakterien aber schon gut untersucht sein...

Dr. Daims: Nein, bisher sind nur wenige Gruppen nitritoxidierender Bakterien bekannt, von denen Nitrospira die weiteste Verbreitung in verschiedenen Ökosystemen zeigen. Nitrospira kommen nicht nur in Kläranlagen, sondern fast überall in der Natur vor: Man findet sie in Böden, Seen und Fließgewässern, im Meer und in Sedimenten, und sogar in heißen Quellen. Außerdem existiert eine große Vielfalt verschiedener Nitrospira. Ihren ökologischen Erfolg verdanken Nitrospira wohl der Fähigkeit, mit Nitrit als Energiequelle zu wachsen. Generell kommt Nitrit in natürlichen Lebensräumen stets in sehr geringen Mengen vor, und es lässt sich nur wenig Energie für den Stoffwechsel daraus gewinnen. Dies mag erklären, warum vergleichsweise wenige Mikroorganismen sich auf dieses Substrat spezialisiert haben. Andererseits haben die Nitritoxidierer eine „sichere“ ökologische Nische, weil der Stickstoffkreislauf in praktisch allen Ökosystemen von essenzieller Bedeutung ist.

LaborPraxis: Welche neuen Fragestellungen sollen in Ihrem aktuellen Projekt geklärt werden?

Dr. Daims: Schwankungen der Nitrifikationsleistung sind ein häufiges Problem der biologischen Abwasserreinigung. Beobachtungen haben gezeigt, dass dies oft auf eine zu niedrige Populationsdichte oder Aktivität von Nitrospira im Klärschlamm zurückzuführen ist. Da Nitrospira langsam wachsen, vergehen mehrere Tage, bis die betroffene Anlage nach einem solchen Störfall wieder normal arbeitet. Die eigentlichen Ursachen für den Rückgang von Nitrospira bleiben meist aber ein Rätsel, vor allem da bisher nur wenig über die Biologie dieser Bakterien bekannt ist. Dabei ist Nitrospira durchaus für Überraschungen gut. Erst kürzlich gelang uns der Nachweis, dass diese Nitritoxidierer ein Enzym besitzen, welches giftiges Chlorit (ClO2-) abbauen kann. Ziel unseres Projekts ist, möglichst viel über die Besonderheiten des Stoffwechsels und der Ökologie von Nitrospira zu lernen und so die größten Wissenslücken über diese Organismen zu schließen. Zentrale Fragen betreffen die Anpassung an Nitrit als Energiequelle, Eigenschaften verschiedener Nitrospira-Stämme sowie Zusammenhänge zwischen der Vielfalt von Nitrospira in einer Kläranlage und der Prozess-Stabilität der Nitrifikation. Die Ergebnisse werden auch zum besseren Verständnis des Stickstoffkreislaufs in natürlichen Ökosystemen beitragen, da Nitrospira auch dort entscheidende Funktionen erfüllen.

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