Mikrobiologisch-ökologische Grundlagen der Funktionalität von Umweltdenitrifikationsanlagen

Aufgrund einer steigenden Bevölkerung und der daraus resultierenden wachsenden Lebensmittelnachfrage nimmt auch der Einsatz von Düngemitteln im Agrarsektor kontinuierlich zu. Die Folge ist ein erhöhter Nährstoffeintrag reaktiver Stickstoffspezies, insbesondere Nitrat, in sensible Ökosysteme, wie beispielsweise Moore, was zu einer Eutrophierung und Zerstörung des Lebensraums führen kann. Einen Lösungsansatz um überschüssiges Nitrat zu entfernen, stellen Umweltdenitrifikationsanlagen dar. In diesen unterirdisch angelegten Becken soll mit Hilfe einer organischen Kohlenstoffquelle Nitrat unter anoxischen Bedungen zu Luftstickstoff (N2) reduziert werden. Neben der Nitratentfernung besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass umweltwirksame Nebenprodukte wie Ammonium, Nitrit, Methan oder Lachgas produziert werden. Dabei spielt insbesondere die mikrobielle Zusammensetzung innerhalb der Anlage eine bedeutende Rolle, die in bisherigen Studien weniger berücksichtigt wurde.
In dieser Arbeit wurde eine Umweltdenitrifikationsanlage in der Vulkaneifel (Deutschland) untersucht. Diese wurde errichtet, um den Nitrateintrag in das Moor Mürmes durch landwirtschaftliches Drainagewasser zu reduzieren. ... mehrIn dieser Arbeit wurde neben der Untersuchung der Funktionalität der Anlage, der limitierenden Faktoren und der Entstehung umweltwirksamer Nebenprodukte, auch das Mikrobiom der planktonischen und festen Phase der Anlage analysiert.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Umweltdenitrifikationsanlage in Mitteleuropa funktional betrieben werden kann. Eine Limitation des Systems wurde vorrangig in den niederschlagsreichen und kalten Wintermonaten beobachtet. Die maßgeblich einfluss-nehmenden äußeren Prozessparameter auf die die Funktionalität der Anlage sind vor allem die Temperatur und die Flussrate. Neben einer hohen Nitratentfernungseffizienz von 100% in mehreren Monaten konnte auch die Entstehung umweltwirksamer Nebenprodukte – Nitrit und Methan – beobachtet werden. Dabei trat Methan vorrangig in warmen und trockenen Monaten auf, wohingegen Nitrit häufig bei hohen Flussraten produziert wurde.
Die Analyse des Mikrobioms zeigte, dass sich denitrifizierende Organismen vorrangig in der planktonischen Phase aufhielten, wohingegen die Hydrolyse des Holzmaterials in der Biofilmphase stattfand. Die mikrobielle Diversität blieb über die analysierten Monate hinweg stabil, wobei das Phylum der Proteobakterien den größten Anteil der mikrobiellen Zusammensetzung ausmachte. Diesem Phylum konnten mit Hilfe der Metagenom- und Metatranskriptom-Analyse auch die Schlüsselorganismen des Denitrifikationsprozesses zugeordnet werden. Insbesondere in den Ordnungen Burkholderiales, Rhodospirillales, Candidatus Accumulibacter, Rhodocyclales und Nitrosomonadales konnten hohe Genexpressionen der Denitrifikationsgene gefunden werden. Dabei schien den meisten Organismen – außer Vertretern der Nitrosomonandales – Acetat als Elektronendonor zu dienen. Im Gegensatz zum Denitrifikationsprozess konnte für die Hydrolyse der (Hemi )Cellulose eine Beteiligung von Pro- und Eukaryoten festgestellt werden. So nahmen neben Vertretern der Bakterien (Proteobakterien, Bacteroidetes, Actinobakterien, Verrumicrobia) diesmal auch Mitglieder der Pilze (Ascomycota, Basidiomycota) eine wichtige Rolle im Abbau des Holzsubstrats ein.
Neben der Freilanduntersuchung wurden noch zwei Fragestellungen im Labormaßstab untersucht. Die erste war, ob nach Zugabe hoher Nitratkonzentrationen in Holzhackschnitzel-Reaktoren eine dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) eintritt und wenn ja welche Organismen daran beteiligt sind. In der vorliegenden Arbeit konnte eine Ammoniumproduktion nach Zugabe hoher Nitratkonzentrationen beobachtet werden. Durch eine Metatranskriptom-Analyse konnte gezeigt werden, dass die Ammoniumentstehung durch den DNRA-Prozess zustande kam und dabei vorrangig Organismen aus der Ordnung Ignavibacteriales beteiligt waren. Die zweite zu untersuchende Fragestellung war, ob und warum Reaktoren mit Holzpellets eine Inhibierung von Methanogenen bewirken. Mit einer Ko-Kultur aus methanogenen Modellorganismen (Methanosarcina bakerii und Methanobacterium formicicum) konnte gezeigt werden, dass Holzpellets einen inhibitorischen Effekt auf methanogene Organismen haben, wobei jedoch der ausschlaggebende Faktor (pH-Wert, biotischer Einfluss) noch nicht final geklärt werden konnte.
Die umfangreiche Charakterisierung der Umweltdenitrifikationsanlage ermöglicht eine Einordnung der Ergebnisse in den aktuellen Forschungsstand, wobei bekannte Hypothesen und Beobachtungen anderer Studien untermauert wurden. Gleichzeitig wurde ein bis dato wenig beachteter Forschungsbereich der Anlagen untersucht, der die Identifikation und Interaktion von Schlüsselorgansimen aufzeigte und wichtige Erkenntnisse zu grundlegenden Stoffwechselprozesse lieferte. Aus diesen Erkenntnisse ergeben sich neue Möglichkeiten die Anlagen zukünftig optimieren und umweltverträglicher gestalten zu können.