Wie lichtgetriebene Mikroorganismen Europas Abwasser reinigen könnten
Europas Abwasserbehandlungsanlagen kommt eine Schlüsselrolle beim Umweltschutz zu, da sie Flüsse, Seen und Küstengewässer frei von den Schadstoffen halten, die im Abfall des Menschen und der Industrie enthalten sind. Seit Jahrzehnten wird in den üblichen Kläranlagen „Belebtschlamm“ eingesetzt. Diese losen Bakterienklumpen dienen dem Abbau des Abfalls. Diese Vorgehensweise beansprucht jedoch viel Platz und erfordert die ständige Zufuhr von Sauerstoff (O₂) zur Versorgung der Bakterien, wobei bei diesem energieintensiven Prozess erhebliche Mengen an Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt werden. Ein wichtiger Durchbruch gelang, als diese Bakterien als Ergebnis wissenschaftlicher Arbeit zu dichten, kugelförmigen Strukturen mit der Bezeichnung aerober granularer Belebtschlamm(öffnet in neuem Fenster) umgestaltet wurden, wodurch sowohl der Platzbedarf als auch die Kosten der Behandlungsanlagen reduziert wurden. Doch selbst diese Granulen erfordern eine intensive künstliche Belüftung zur Versorgung mit Sauerstoff. Im Rahmen des Projekts Inlight, das innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, untersuchten Forscherinnen und Forscher, wie der Prozess durch die Einführung lichtgetriebener Mikroorganismen in Form von „Photogranulen“ noch nachhaltiger gestaltet werden könnte. „Mithilfe der Kombination aus abfallabbauenden Bakterien und phototrophen Mikroorganismen wie Mikroalgen und Cyanobakterien erschaffen wir ein sich selbst erhaltendes Ökosystem“, erklärt Emine Kayahan(öffnet in neuem Fenster), Chemieingenieurin an der Katholieke Universiteit Leuven(öffnet in neuem Fenster). „Dabei wirken die Phototrophen wie winzige Bäume, die mithilfe von Licht CO₂ in O₂ umwandeln, das die Bakterien dann zur Reinigung des Wassers nutzen.“ Im Zuge von Inlight setzten Kayahan und ihr Team Photobioreaktoren sowie fortgeschrittene Modellierungsmethoden und Experimente ein. Sie ermittelten die Lichtmenge, die Phototrophe benötigen, um ausreichend O₂ zu erzeugen, damit das heterotrophe Wachstum andauern kann.
Auf dem Weg zu belüftungsfreien Abwasserbehandlungssystemen
Kayahan entnahm zunächst eine mikrobielle Gemeinschaft direkt aus einem natürlichen Teich außerhalb ihres Fachbereichs, bevor sie diese in Laborbioreaktoren einbrachte und künstliche Licht- und Nährstoffzyklen in Gang setzte. „Wir haben eine Nische geschaffen, in der die gewünschten phototrophen und heterotrophen Arten gemeinsam gedeihen und robuste Photogranulen bilden konnten“, sagt sie. Anschließend führte das Team eine Reihe chemischer Analysen durch, um den Abbau von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor im Reaktor zu verfolgen und gleichzeitig genau zu erfassen, wie viel Licht in die Systeme ein- und wie viel Sauerstoff austrat. Zwar können die aktuellen, vom Team entwickelten Modelle die Lichtverteilung im Labormaßstab erfolgreich vorhersagen, doch betont Kayahan, dass weiterhin zentrale Probleme zu bearbeiten sind. „Die Entwicklung neuartiger Reaktorkonzepte, die Licht effizienter an die Photogranulen weiterleiten können, wird entscheidend sein, um sicherzustellen, dass diese Systeme im industriellen Maßstab rentabel bleiben“, fügt sie hinzu. Über die Laborarbeit hinaus baute Kayahan überdies ein stark auf Zusammenarbeit ausgerichtetes globales wissenschaftliches Netzwerk auf, unter anderem durch die Leitung spezieller Workshops und die Mitorganisation der allerersten internationalen Konferenz zum Thema der Photogranulen. Gegenwärtig leitet sie eine bedeutende globale Initiative zur Etablierung einer genormten Terminologie und eines Benchmarking-Systems für die Forschung rund um Photogranulen. Ein Schwerpunkt dieser Initiative liegt auf der Ermittlung der tatsächlichen Einflussfaktoren der Photogranulation, um in industriellen Größenordnungen Stabilität zu gewährleisten. Letztlich bietet diese Arbeit einen Rahmen für die Erschaffung mikrobieller Gemeinschaften durch die Anpassung des Reaktordesigns und -betriebs sowie die Festlegung klarer Kennzahlen zur Bewertung der Systemleistung. „Genau durch diese gemeinschaftlichen Bemühungen werden wir diese Technologie in praktische industrielle Anwendungen einbringen“, erläutert sie.
Grünere Zukunft für Europas Abwasserbehandlung
Die Einführung der Technologie im Industriebereich erfordere jedoch einen grundlegenden Umdenkprozess, wie Kayahan anmerkt. „Wir müssen aufhören, Abwasser als ein Problem zu betrachten, das entsorgt werden muss, und anfangen, es als eine Ressource zu behandeln, die wiederverwertbar ist.“ Da Photogranulen im Übrigen ungenutztes CO₂ binden, ergeben sich gegenüber konventionellen Systemen zahlreiche potenzielle Vorteile. „Mit der Anwendung eines ‚Bioraffinerie‘-Ansatzes zur Reinigung industrieller Abwasserströme können wir die Abwasserbehandlung von einem kostspieligen Entsorgungsdienst in eine nachhaltige Produktionslinie verwandeln“, fügt Kayahan hinzu. „Die Erprobung dieser Konzepte in speziellen industriellen Pilotanlagen bildet den logischen nächsten Schritt.“
