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Mikrobiologie der Stickstoffentfernung in den Biofiltern einer marinen Aquakultur mit geschlossenem Wasserkreislauf
(2007)
- Die drohende Erschöpfung mariner Fischbestände bedingte die Entwicklung mariner Aquakulturtechniken und machte die marine Aquakultur zu einem der am schnellsten wachsenden Industriezweige der Welt. Derzeit werden marine Fischarten meist in schwimmenden Netzeinfriedungen oder Käfigen in Küstennähe gezüchtet, was mit einer erheblichen Beeinträchtigung der marinen Umgebung einher geht. Eine umweltfreundliche Alternative zu diesen offenen Systemen sind geschlossene Systeme mit vollständiger Wasserwiederaufbereitung. Die Pilot-Anlage in Rehovot, Israel ist ein derartiges System, das über drei verschiedene Biofilter Nitrifikation, Denitrifikation/Abbau von abgesetztem Schlamm und Sulfidoxidation miteinander verbindet. Die Nitrifikation in einem derartigen System muss einerseits effizient genug ablaufen, um die Ammoniakkonzentrationen unterhalb der für Fische toxischen Werte zu halten. Andererseits muss sie dynamisch genug sein, um auch Fluktuationen in der Ammoniumproduktion puffern zu können. Der erste Teil dieser Arbeit zielte deshalb darauf ab, die Nitrifikantenpopulation in dem marinen Tropfkörperbiofilm zu identifizieren und zu charakterisieren sowie Diversität, Verteilung, Abundanz und Aktivität der Ammonium- und Nitritoxidierer in situ zu bestimmen. Wiederholte Runden des sogenannten „full cycle rRNA-approach“ waren erforderlich, um DNA-Extraktionsprotokoll und Sondenset für die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zu optimieren. Die abundanteste Gruppe der ammoniumoxidierenden Bakterien (AOB) waren Mitglieder der Nitrosomonas sp. Nm143-„Lineage“ (6,7% des Gesamtbiovolumens), gefolgt von einer Nitrosomonas marina-verwandten AOB-Gruppe (2,2% des Gesamtbiovolumens). Beide zusammen wurden zahlenmäßig übertroffen von den nitritoxidierenden Bakterien (NOB) der Nitrospira marina-„Lineage“ (15,7% des Gesamtbiovolumens). Die mittels Mikrosensormessungen bestimmten Nitrifikationsraten stiegen bis zu einer Ammoniumkonzentration von 200 µM nahezu linear an und erhöhten sich weiter bis zu einer Konzentration von 2 mM. Der geschätzte KM(NH3+NH4+)-Wert lag bei 294 ( 70) µM, die maximale Geschwindigkeit (vmax) der Ammoniumoxidation bei 65 ( 6) µM cm-3 h-1. Mikroautoradiographie (MAR) mit 14C-markiertem Bicarbonat wurde mit FISH kombiniert, um herauszufinden, welche AOB-Populationen in Gegenwart verschiedener Substratkonzentrationen aktiv sind. Weder Mikrosensordaten noch MAR-FISH-Experimente sprachen jedoch für die postulierte Nischendifferenzierung in eine bezüglich der Ammoniumkonzentration hoch affine und eine weniger affine AOB-Population. Es bleibt weiter unklar, welche Faktoren für die beobachtete Koexistenz verschiedener AOB-Populationen verantwortlich sind. Zusammengenommen scheint die Nitrifikantengemeinschaft jedoch sowohl an die normalerweise geringen Ammoniumkonzentrationen als auch an die wiederkehrenden Peaks nach dem Füttern gut angepasst zu sein. Da Stickstoff, vor allem in Form von Nitrat, in geschlossenen Aquakultursystemen häufig akkumuliert, wird versucht, zumindest einen Teil des Nitrat-N - klassischerweise über Denitrifikation - wieder aus dem System zu entfernen. Ein Problem, das bei der anaeroben Abwasserbehandlung speziell in marinen Systemen auftritt, ist die Sulfatreduktion. Neben seiner toxischen Wirkung auf Fische und andere aquatische Organismen hat Sulfid auch einen spezifischen Effekt auf Nitratreduktion und Denitrifikation. Das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit war es deshalb, die Prozesse der Denitrifikation und der DNRA in den anaeroben Teilen der Anlage zu quantifizieren, Nitratreduzierer und Denitrifikanten zu identifizieren und zu isolieren sowie ihre Reaktion auf Sulfid als einem systemrelevanten Faktor genauer zu untersuchen. Sowohl Denitrifikation als auch DNRA waren - wie durch 15N-Experimente bestätigt - systemrelevante Prozesse. Anzeichen für eine N-Entfernung über den Anammox-Prozess wurden hingegen nicht gefunden. Von insgesamt ca. 780 Isolaten verbrauchten knapp 500 Nitrat. Es wurden 41 verschiedene, teilweise neuen Artengruppen identifiziert, die den Alpha-, Beta- und Gammaproteobacteria, den Bacteroidetes, Firmicutes und Actinobacteria angehörten. 15 enthielten Denitrifikanten, bei Mitgliedern der restlichen Gruppen wurde nur Nitratreduktion zu Nitrit festgestellt. Die kultivierungsunabhängige Analyse anhand der funktionellen Markergene narG und nosZ erbrachte eine beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Klongruppen. Im Unterschied zum Kultivierungsansatz ergab die vergleichende Analyse der narG-Genbibliotheken sehr klare Unterschiede zwischen den drei untersuchten Teilsystemen. Wachstumsexperimente mit zuvor aus der Aquakultur isolierten Reinkulturen erbrachten große Unterschiede in der Sulfidtoleranz der getesteten Isolate, die von < 50 µM bis zu 5 mM reichte. Generell gingen steigende Sulfidkonzentrationen mit einer zunehmenden Hemmung des Wachstums und - bei denitrifizierenden Isolaten - mit einer steigenden N2O-Produktion einher.
