Shotgun‑Metagenomik und physikochemische Profilierung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen mit Belebtschlamm und Tropfkörpern

Warum wichtig ist, was den Abfluss hinuntergeht

Jedes Mal, wenn wir die Toilette spülen oder Chemikalien vom Fabrikboden abspülen, muss dieses Wasser irgendwo hingelangen. In vielen Gemeinden, insbesondere in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, kommen Kläranlagen oft nicht hinterher – wodurch schädliche Nährstoffe, Chemikalien und sogar Schwermetalle in Flüsse gelangen können, von denen Menschen und Wildtiere abhängig sind. Diese Studie untersucht zwei solcher Anlagen in Südafrika genau und fragt nicht nur, wie gut sie das Wasser reinigen, sondern auch, welche mikroskopischen Lebensformen die Arbeit des Abbaus von Verschmutzung leisten.

Zwei angeschlagene Anlagen an einem belebten Fluss

Die Forscher konzentrierten sich auf zwei kommunale Abwasserreinigungsanlagen in der Emfuleni Local Municipality in Südafrika. Beide nehmen eine Mischung aus Haushaltsabwässern, Regenwasser und Industrieabwässern auf und leiten in wichtige örtliche Flüsse. Auf dem Papier waren diese Anlagen so ausgelegt, dass sie eine Kombination aus Belebtschlamm (wo Mikroben in belüfteten Becken suspendiert gehalten werden) und Tropfkörpern (wo Mikroben auf Oberflächen wachsen und schleimige Biofilme bilden) nutzen. In der Praxis führten jahrelange mangelhafte Wartung, Energieengpässe und Geräteausfälle dazu, dass jede Anlage unter ihrer vorgesehenen Kapazität arbeitete, wobei eine vorwiegend Belebtschlamm nutzte und die andere vor allem Tropfkörper.

Untersuchung des Wassers und der verborgenen Chemie

Über fünf Monate in der Trockenzeit – wenn Abwasser weniger durch Regen verdünnt ist – sammelte das Team Proben an verschiedenen Punkten des Reinigungsprozesses sowie von fünf nahegelegenen Industrien wie einem Schlachthof und einem Batteriehersteller. Sie bestimmten grundlegende Indikatoren der Wasserqualität: Säuregrad (pH), Sauerstoff, Temperatur, gelöste und suspendierte Feststoffe sowie einen wichtigen Verschmutzungsindikator, die chemische Sauerstoffbedarf (CSB; Chemical Oxygen Demand, COD), die widerspiegelt, wie viel organisches Material abgebaut werden muss. Außerdem verfolgten sie Nährstoffe wie Ammonium, Nitrat und Phosphate und untersuchten Metalle einschließlich Eisen, Kupfer, Zink, Blei und Arsen. Viele dieser Stoffe können in hoher Konzentration Fischen schaden, toxische Algenblüten begünstigen oder sich in Feldfrüchten und Geweben von Tieren anreichern.

Verschmutzungswerte, die durchrutschen

Die Ergebnisse zeigten, dass beide Anlagen Schwierigkeiten hatten, die Verschmutzung auf akzeptable Werte zu reduzieren. Der CSB im behandelten Wasser überschritt häufig lokale und internationale Richtwerte, insbesondere in der Anlage, in der ein großer Teil der Infrastruktur ausgefallen war. Ammonium – eine Form des Stickstoffs, die für aquatisches Leben toxisch sein kann – blieb in den Auslaufbecken beider Anlagen hoch, was darauf hindeutet, dass die für die Entfernung von Ammonium wichtigen Mikroben ihre Aufgabe nicht effektiv erfüllten. Einige industrielle Einleitungen waren extrem: Das Abwasser des Schlachthofs wies außergewöhnlich hohe CSB‑Werte auf und belastete die kommunalen Systeme zusätzlich. Mehrere Schwermetalle, insbesondere Mangan, Kupfer, Zink und Blei, reicher­ten sich im Schlamm und in einigen behandelten Abflüssen an, was Bedenken hinsichtlich langfristiger Akkumulation in Fluss­sedimenten, Fischen und letztlich bei den Menschen, die auf diese Gewässer angewiesen sind, aufwirft.

Die mikrobiellen Arbeitskräfte in den Becken

Um die lebenden »Motoren« der Reinigung zu verstehen, nutzten die Wissenschaftler Shotgun‑Metagenomsequenzierung – eine Technik, die DNA direkt aus dem Wasser liest –, um das Mikrobiom an jedem Probenpunkt zu charakterisieren. Bakterien dominierten, wobei eine große Gruppe, die Proteobacteria, in manchen Proben nahezu 90 Prozent der Gemeinschaft ausmachte. Gattungen wie Aeromonas, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus und Thauera waren besonders häufig. Viele dieser Mikroben sind zweischneidig: Sie sind mächtige Zersetzer von organischen Verschmutzungen, Nährstoffen und sogar komplexen Chemikalien, können aber auch krankheitserregende Stämme umfassen oder Antibiotikaresistenzgene tragen. Die Studie zeigte, dass Veränderungen von pH, Sauerstoff, Feststoffen und Salzen – und sogar das Vorhandensein von Metallen – stark beeinflussten, welche Mikroben wo gediehen.

Verborgene Potenziale und klare Warnsignale

Durch die Verknüpfung von Chemie und Mikrobiologie fand die Studie, dass bestimmte Bakterien dort gruppiert waren, wo die Schwermetallkonzentrationen am höchsten waren, was darauf hindeutet, dass sie in künftigen Sanierungsstrategien nutzbar sein könnten. Andere Mikroben schienen gut geeignet, hartnäckige Verbindungen wie Erdölprodukte, Arzneimittelrückstände und Industriesolventia abzubauen, wie die funktionellen DNA‑Signaturen zeigten. Insgesamt bedeutet die Unfähigkeit der Anlagen, CSB, Ammonium und Metalle vollständig zu entfernen, jedoch, dass diese Flüsse weiterhin eine stetige Belastung schädlicher Substanzen erhalten. Die Autorinnen und Autoren plädieren für kontinuierliche Überwachung, Infrastruktur­auf‑rüstungen und klügere Entwurfsansätze, die Belebtschlamm und Tropfkörper kombinieren, um das volle Potenzial dieser mikrobiellen Gemeinschaften freizusetzen und die nachgeschalteten Ökosysteme zu schützen.

Was das für Menschen und Flüsse bedeutet

Einfach gesagt zeigt diese Arbeit, dass die untersuchten Anlagen das Abwasser nicht so gründlich reinigen, wie es nötig wäre, auch wenn die richtigen Mikroben vorhanden sind. Hohe Werte an organischer Belastung, Nährstoffen und Metallen verlassen weiterhin die Anlagen und gelangen in Flüsse, die für Erholung, Bewässerung und indirekt als Trinkwasserquelle genutzt werden. Mit der Zeit kann dies Fische und andere Wildtiere schädigen, unangenehme und teils toxische Algenblüten auslösen und Gesundheitsrisiken für Anwohner erhöhen. Die Studie hebt sowohl eine Warnung als auch eine Chance hervor: Ohne bessere Wartung, zuverlässige Energieversorgung und Prozesskontrolle können diese verborgenen mikrobiellen Arbeiter nicht Schritt halten – mit gut geplanten Systemen und routinemäßigen Kontrollen könnten sie jedoch das Rückgrat einer sichereren, resilienteren Wasserwiederverwertung bilden.

Zitation: Maharaj, S.D., Nkuna, R. & Matambo, T.S. Shotgun metagenomic and physicochemical profiling of municipal wastewater treatment plants using activated sludge and trickling filters. Sci Rep 16, 5486 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35157-6

Schlüsselwörter: Abwasserbehandlung, Mikrobiom, Südafrika, Schwermetalle, Wasserqualität