Stickstoffverbindungen wie Nitrit und Nitrat sind eine große Belastung für Süßgewässer und Abwässer. Wissenschaftler des chinesischen Ministeriums für Natürliche Ressourcen in Xiamen und des IGB haben jedoch eine natürliche Kombination aus Pilzen und Bakterien entdeckt, die Nitrat sehr effektiv abbauen kann. Dies könnte ein wichtiger Schritt in der Weiterentwicklung der Biotechnologie zur Wasseraufbereitung sein und unterstreicht die Bedeutung von Pilzen in aquatischen Ökosystemen.

Effiziente Stickstoffentfernung durch natürliche Pilz-Bakterien-Kombination

Die biologische Stickstoffentfernung, auch Denitrifikation genannt, ist ein wichtiger biochemischer Prozess, bei dem Mikroorganismen Nitrat und Nitrit in gasförmigen Stickstoff umwandeln. Dies geschieht in Gewässern auf natürliche Weise durch Stoffwechselprozesse der dort lebenden Organismen und wird als Selbstreinigungskraft bezeichnet. Dieses Prinzip wird auch bei der Wasseraufbereitung genutzt. Bisher wurden verschiedene Bakterien und Pilze 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 großtechnisch umsetzbar ist.

Die Isolierung einzelner Bakterien- oder Pilzstämme ist aufwändig und teuer. Kombinationen aus beiden, sogenannte mikrobielle Konsortien, gelten als vielversprechende Alternative zu reinen Stämmen, sind aber auf dem Gebiet der Denitrifikation in Gegenwart von Sauerstoff noch wenig erforscht. Die Forschenden untersuchten dieses Potenzial, da mikrobielle Konsortien beispielsweise bei der Fermentation von Lebensmitteln und Getränken schon lange eingesetzt werden. Gerade Pilze sind sehr robust gegenüber Umweltstressoren wie saurem pH-Wert und hohen Temperaturen.

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 den im Nitrat gebundenen Stickstoff in molekularen Stickstoff (N₂) und Stickoxide umwandeln können.

Identifizierung von Bakterien-Pilz-Gruppen zur optimalen Wasseraufbereitung

Mittels Hochdurchsatzsequenzierung wurden die beteiligten Bakterien- und Pilzgattungen identifiziert. Eine anschließende Netzwerkanalyse zeigte, welche Arten positiv miteinander interagieren und sich daher besonders für eine Kombination eignen. „Wir haben denitrifizierende Bakterien-Pilz-Gruppen identifiziert, 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.

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