Nitrogen cycling in technical water systems

Die Arbeit “Der Stickstoff-Kreislauf in technischen Wassersystemen“ behandelt den mikrobiellen Abbau von stickstoffhaltigen Verbindungen in einem Aquaponik sowie in bioelektrochemischen Systemen.

Ein Aquaponik ist ein rezirkulierendes System bestehend aus einer Aquakultur (Fischzucht) und einem Hydroponik (Pflanzenzucht). Um die Funktionalität des Systems sicherzustellen, wurde die Nitrifikation im Pumpensumpf untersucht. Das Ergebnis legt den Schluss nahe, dass das Ammonium hauptsächlich von comammox Nitrospira umgesetzt wurde. Diese sind im Gegensatz zu den bisher bekannten Nitrifikanten in der Lage, die Nitrifikation vollständig ausführen zu können. Dies ist die erste Arbeit, in der comammox Nitrospira mittels Sequenzierung der 16S rRNA und metagenomischen Analysen nachgewiesen wurden.

Aufgrund von Überdüngungen in der Landwirtschaft sind viele Grundwässer in Deutschland mit Nitrat kontaminiert. Da Trinkwasser zu circa 70% aus Grundwässern genutzt wird, wurde in der vorliegenden Arbeit die Nitrateliminierung in bioelektrochemischen Systemen erforscht. Es zeigt sich, dass mittels der Denitrifikation das Nitrat sowohl in einem System mit kontinuierlich angelegtem Potential als auch in einem System mit sequenziell angelegtem Potential von Mikroorganismen vollständig zu Stickstoff umgesetzt worden ist. Anpassungen der sequenziellen Schaltung des Potentials führen zu einem effizienten Kompromiss zwischen dem Energiebedarf und der Laufzeit bis zur vollständigen Stickstoffumsetzung. Auf den Oberflächen der Kathoden beider unterschiedlich geschalteten Systeme etablieren sich jedoch verschiedene mikrobielle Biofilmgemeinschaften. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Möglichkeit aufgewiesen, unterschiedliche mikrobielle Strukturen in einem bioelektrochemischen System zur Optimierung des Prozesses einsetzen zu können.

Die Eliminierung von Ammonium aus synthetischem Abwasser wurde mit Hilfe der anaeroben Oxidation, dem Anammox-Prozess, zusammen mit der partiellen Nitrifikation im bioelektrochemischen System untersucht. An der Anode wird mittels des Potentials eine konstante Sauerstoffproduktion für einen optimierten Prozess eingestellt, indem die Nitrifikation im Biofilm direkt an der Anode und der Anammox-Prozess im äußeren Bereich des Biofilms stattfinden. Obwohl das verwendete bioelektrochemische System der Optimierung bedarf und das vorhandene Ammonium hauptsächlich durch Nitrifikation umgesetzt worden ist, konnte gezeigt werden, dass das System durchaus einen vielversprechenden Ansatz für die Abwasserbehandlung darstellt.

Es wurde die Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) für die schnelle und einfache Bestimmung kleinerer mikrobiellen Gemeinschaften in angereicherten Proben weiterentwickelt, bei der die Auftrennung der Restriktionsfragmente durch Kapillarelektrophorese erfolgt. Die Methode dient der Bestimmung der Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften z.B. in bioelektrochemischen Systemen, Thermostaten oder Stammkulturen. Dies ermöglicht eine kosteneffiziente und schnellere Alternative zur Sequenzierung, die in der Regel durch externe Anbieter durchgeführt wird. Während die Methode für Stammkulturen gut funktioniert, benötigt es für Proben mit mehr als zwei Stämmen weiterer Forschung.

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Heise, J., 2021. Nitrogen cycling in technical water systems. https://doi.org/10.17185/duepublico/74169
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