Bakterien als „Nützlinge“

Obwohl Bakterien in verschiedenen Bereichen der Natur als Schädlinge auftreten können, überwiegt ihre Rolle als Nützlinge bei weitem, beispielsweise bei der Selbstreinigung von Fließgewässern oder bei der Abwasserreinigung.

Die biologische Abwasserreinigung macht sich die Fähigkeit von Bakterien zunutze, die organischen Stoffe des Abwassers mehr oder weniger vollständig abzubauen. Der organische Anteil eines typischen häuslichen Abwassers umfasst im Wesentlichen Kohlenhydrate, Proteine, Harnstoff und fettähnliche Bestandteile, darunter u.a. Detergentien aus Seifen, Wasch- und Spülmitteln.

Durch gute Abbauleistungen von Kläranlagen kann der Stoffeintrag in Oberflächengewässer vermindert werden. Ein wichtiges Ziel ist es daher, die Bedingungen für die am Abbau beteiligten Organismen zu optimieren, um deren Wachstum zu fördern. Voraussetzung hierfür ist die Kenntnis der biologischen Eigenschaften dieser Organismen.

Die Arbeitsgruppe „Mikrobielle Ökologie“ führt zu diesem Themenblock folgende Untersuchungsprogramme durch:

Verbesserter Abbau durch Anreicherung von „Spezialisten“: Optimierung der Denitrifikation in einem Sandfilter

Für die Eutrophierung von Gewässern spielen die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor eine wichtige Rolle. Daher wurden zur Begrenzung von Eutrophierungsvorgängen gesetzliche Vorgaben geschaffen, die in kommunalen Kläranlagen ab einer bestimmten Ausbaugröße Grenzwerte für den Gesamtstickstoff im Kläranlagenabfluss festlegen. Die Entfernung von Stickstoffverbindungen ist deshalb ein wichtiges Ziel der Abwasserreinigung. Dies geschieht durch Nitrifikation (Umwandlung von Ammonium in Nitrat) und Denitrifikation (Umwandlung von Nitrat in molekularen Stickstoff). Beide Prozesse werden von spezialisierten Bakterien durchgeführt. Im Rahmen eines großtechnischen Versuchs wurde die Methanol-gestützte Denitrifikation in einem nachgeschalteten Sandfilter mit dem Ziel untersucht, die zugrunde liegenden bakteriellen Stoffwechselvorgänge besser zu verstehen und Hinweise für die Optimierung zu erhalten.

Nachweis denitrifizierender Bakterien in Flüssigkultur durch Gasbildung (linkes Röhrchen) und Negativkontrolle (rechtes Röhrchen)
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Nachweis denitrifizierender Bakterien in Flüssigkultur durch Gasbildung (linkes Röhrchen) und Negativkontrolle (rechtes Röhrchen)

Verbesserter Abbau durch optimale Nahrungsbedingungen (z.B. Stickstoff/Phosphor-Dosierung, Einsatz von Vitaminen)

Hat die Zugabe von Vitaminen einen positiven Einfluss auf das Wachstum und die Aktivität der am Abwasserreinigungsprozess beteiligten Bakterien? Diese Fragestellung wurde in Kläranlagen aus fünf Industriebetrieben sowie einer kommunalen Anlage untersucht. Es zeigte sich, dass in den Belebtschlämmen offensichtlich Austauschvorgänge zwischen vitaminausscheidenden und vitaminbedürftigen Organismen stattfinden, sodass eine ausreichende Versorgung aller Bakterien mit Vitaminen vorliegt. Daher ist eine zusätzliche Vitamindosierung zur Erhöhung der Stoffwechselleistungen nicht erforderlich.

Abbau und Elimination von Xenobiotika durch Mikroorganismen (z.B. Waschmittelinhaltsstoffe, Halogenverbindungen, Schwermetalle, Arzneimittel)

Aus Belebtschlamm wurden Bakterien isoliert, die imstande sind, Inhaltsstoffe von Wasch- und Reinigungsmitteln abzubauen. Es wurde festgestellt, dass für den Abbau anionischer, kationischer und nichtionischer Tenside das Zusammenwirken einer „Mischpopulation“, also mehrerer verschiedener Bakterienarten, erforderlich ist. Nur so können die vielfach komplexen Verbindungen mineralisiert werden.

Die biologische Charakterisierung von Sielhaut in unbelasteten Abwasserkanälen und solchen, die mit Schwermetallen und adsorbierbaren Halogenverbindungen belastet waren, zeigte hohe Populationsdichten verschiedener aerober Bakteriengruppen. Diese wiesen hohe Enzymaktivitäten auf, in denen kein signifikanter hemmender Einfluss der Xenobiotika zu verzeichnen war. Die Aktivität der Sielhaut-Spezialisten lag meist in einer Größenordnung, wie sie im Hochlastschlamm einer zweistufigen kommunalen Kläranlage zu finden ist.

Schleimpilz auf der Oberfläche einer Sielhaut
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Schleimpilz auf der Oberfläche einer Sielhaut

In dem Verbundprojekt „Arzneimittelwirkstoffe und deren Metaboliten: Belastungen des Wasserkreislaufs und Möglichkeiten der Verminderung“ beschäftigt sich die Arbeitsgruppe „Mikrobielle Ökologie“ derzeit mit dem mikrobiellen Stoffumsatz beim Abbau von Arzneimittelwirkstoffen.

Weiterführende Informationen

Links

Informationen und Veröffentlichungen zu den genannten Themen:

  • Lemmer, H., Zaglauer, A., Neef, A., Amann, R. (1998). In situ-Nachweis der dominanten Denitrifikantenpopulationen zur biologisch begründeten Betriebsoptimierung der methanol-gestützten Denitrifikation in einem Sandfilter. Münchener Beiträge zur Abwasser-, Fischerei- und Flußbiologie 52, 43-60
  • Lemmer, H., Zaglauer, A., Metzner, G. (1997). Optimierung der Denitrifikation im Festbettverfahren. Korr. Abw. 44, 1581-1588
  • Lemmer, H., Zaglauer, A., Neef, A., Meier, H., Amann, R. (1997). Denitrification in a methanol-fed fixed bed reactor. Part 2: Composition and ecology of the bacteria community in the biofilms. Wat. Res. 31, 1903-1908
  • Lemmer, H., Zaglauer, A., Metzner, G. (1997). Denitrification in a methanol-fed fixed bed reactor. Part 1: Physico-chemical and biological characterization supports optimal operation. Wat. Res. 31, 1897-1902
  • Neef, A., Zaglauer, A., Meier, H., Amann, R., Lemmer, H., Schleifer, K.-H. (1996). In situ Population Analysis in a Denitrifying Sand Filter: Conventional and In Situ Identification of Paracoccus spp. in Methanol-fed Biofilms. Appl. Environ. Microbiol. 62, 4329 - 4339
  • Lemmer, H., Lind, G., Metzner, G., Nitschke, L., Schade, M. (1998). Vitamin Addition in Biological Wastewater Treatment. Wat. Sci. Tech. 37 (4-5), 395-398
  • Lemmer, H. (1996). Einsatz von biologischen Zusatzstoffen in Kläranlagen. Korr. Abw. 43, 2219-2220, 1996
  • Lemmer, H., Nitschke, L. (1994). Vitamin Content of Four Sludge Fractions in the Activated Sludge Wastewater Treatment Process. Wat. Res. 28, 737-739
  • Lind, G., Schade, M., Metzner, G., Lemmer. H. (1994). Vitamineinsatz bei der biologischen Abwasserreinigung. I. Bedürftigkeit der heterotrophen Saprophytenflora kommunaler und industrieller Belebtschlämme für Vitamine des B-Komplexes sowie deren Einfluß auf Enzymaktivitäten und Abbauverhalten. GWF Wasser-Abwasser 135, 595-600
  • Lind, G., Lemmer, H. (1994). Vitamineinsatz bei der biologischen Abwasserreinigung. II. Bedürftigkeit für Vitamine des B-Komplexes bei verschiedenen taxonomischen Gruppen saprophytischer Bakterien aus industriellen und kommunalen Belebtschlämmen. GWF Wasser-Abwasser 135, 642-645
  • Lemmer, H. (1993). Phosphorstoffwechsel von Mikroorganismen im Hinblick auf den Phosphor-Eintrag von Kläranlagen in Gewässer. Münchener Beiträge zur Abwasser-, Fischerei- und Flußbiologie 47, 219-245
  • Lemmer, H., Roth. D. (1996). Heterotrophe Saprophytenflora und ihre Aktivität in Sielhaut mit AOX- und Schwermetallbelastung. Münchener Beiträge zur Abwasser-, Fischerei- und Flußbiologie 49, 162 - 185
  • Lemmer, H., Roth, D., Schade, M. (1994). Population Density and Enzyme Activities of Heterotrophic Bacteria in Sewer Biofilms and Activated Sludge. Wat. Res. 28, 1341-1346
  • Roth, D., Lemmer, H. (1994). Biofilms in Sewer Systems. Characterization of the Bacterial Biocenosis and its Metabolic Activity. Wat. Sci. Tech. 29, 385-388