Bioremediation von alkalischem Tortilla-Abwasser mit Haematococcus pluvialis unter Labor- und 100-L-Raceway-Teich-Bedingungen

Aus Tortilla-Abwasser eine Ressource machen

In Mexiko werden täglich Millionen Tortillas nach dem traditionellen Nixtamalisation-Verfahren hergestellt. Dabei entsteht ein stark alkalisches Abwasser, das als nejayote bezeichnet wird. Meist gilt es als problematischer Abfall, der Flüsse und Seen belasten kann, doch zugleich ist nejayote nährstoffreich. Diese Studie untersucht, wie ein mikroskopisches Süßwasserorganismus, die grüne Mikroalge Haematococcus pluvialis, dieses Problem in eine Chance verwandeln kann: das Wasser reinigen und gleichzeitig eine nährstoffreiche Biomasse erzeugen, die als Dünger oder Tierfutter nutzbar wäre.

Warum Tortilla-Abwasser ein unterschätztes Problem ist

Die Nixtamalisation verbessert Geschmack und Nährwert von Mais, hinterlässt jedoch große Mengen Abwasser — allein in Mexiko über 14 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Diese Flüssigkeit ist stark alkalisch, trüb und reich an organischer Substanz, Stickstoff, Phosphor und Schwebstoffen. Unbehandelt in Abflüsse oder Gewässer eingeleitet, fördert sie Algenblüten, senkt den Sauerstoffgehalt und schädigt aquatische Organismen. Große industrielle Produzenten haben begonnen, Filter und fortgeschrittene Aufbereitungssysteme einzusetzen, doch kleine und mittlere Tortillabetriebe können sich solche Technologien oft nicht leisten. Folglich wird der größte Teil des Nejayote weiterhin unbehandelt abgeleitet und erzeugt eine weiträumige, oft unsichtbare Umweltbelastung.

Kleine Algen als natürliche Reinigungstrupps

Das Forschungsteam wandte sich Mikroalgen zu, die in nährstoffreichen Gewässern gedeihen und überschüssigen Stickstoff, Phosphor und organischen Kohlenstoff aufnehmen können. Von fünf Kandidaten hob sich Haematococcus pluvialis durch ihre Fähigkeit hervor, in unverdünntem Nejayote zu überleben und gut zu funktionieren. Damit die Alge mit dieser extremen Flüssigkeit zurechtkommt, wurden die Kulturen zunächst durch eine kurzzeitige UV-C-Bestrahlung „gehärtet“ — dabei wurden die meisten Zellen abgetötet und die widerstandsfähigsten Überlebenden selektiert. Anschließend erhöhten die Wissenschaftler schrittweise den Anteil von Nejayote im Nährmedium — von 15 % bis zu 100 % — bis die Algen vollständig akklimatisiert waren. Diese sorgfältige Vorbereitung ermöglichte es den Mikroalgen, Nejayote nicht als Gift, sondern als Nahrungsquelle zu nutzen.

Vom Laborkolben zum Teich im Gewächshaus

Die Vergrößerung von einem kleinen Laborkolben auf einen 100-Liter-Raceway-Teich ist nicht einfach nur eine Skalierung nach oben. Die Algen benötigen ausreichend Gas­austausch — besonders für Sauerstoffabgabe und CO2-Versorgung —, um kontinuierlich zu wachsen und das Abwasser weiter zu behandeln. Die Forschenden verwendeten eine praktische ingenieurtechnische Kennzahl, den sogenannten „apparent kLa“, der widerspiegelt, wie effizient Gase zwischen Luft und Flüssigkeit übertragen werden. Indem sie diesen Wert in einem kleinen Kolben bestimmten und dann Rühr- und Paddelradgeschwindigkeiten in einem 5-L-Bioreaktor und dem 100-L-Freilandteich anpassten, zielten sie darauf ab, vergleichbare Gasaustauschbedingungen in allen Größen zu erhalten. Messungen im Teich zeigten, dass die Durchmischung in Ufernähe des Paddelrads am stärksten und weiter entfernt schwächer war — ein Hinweis darauf, dass reale Teiche sich eher wie strömende Kanäle als wie perfekt durchmischte Reaktoren verhalten.

Wie sauber wird das Wasser?

Unter kontrollierten Laborbedingungen lieferten die akklimatisierten Algen beeindruckende Ergebnisse: Sie entfernten etwa 96 % des Gesamtnitrogens, praktisch 100 % des Phosphors und mehr als 92 % der chemischen Sauerstoffzehrung (CSB), einem Maß für organische Verschmutzung. Bei der Übertragung des Prozesses in den 100-Liter-Freiland-Raceway-Teich blieben die Werte hoch, sanken jedoch leicht: rund 87 % für Stickstoff, 99 % für Phosphor und 90 % für CSB. Der Rückgang war vor allem auf Verdunstung — die verbleibende Schadstoffkonzentration erhöht — sowie auf wechselnde Licht- und Temperaturbedingungen im Freien zurückzuführen. Während Stickstoff und Phosphor unter den mexikanischen Einleitgrenzwerten lagen, blieb der CSB über den zulässigen Grenzwerten. Die Autorinnen und Autoren schlagen einfache Nachbehandlungsschritte vor, etwa Koagulation mit natürlichen Flockungsmitteln oder Aktivkohlefiltration, um das Wasser weiter zu polieren und die Standards zu erfüllen.

Vom Abwasser zur nützlichen Biomasse

Neben der Wasserreinigung erzeugte der Prozess eine beträchtliche Menge an Mikroalgenbiomasse. Analysen zeigten, dass das getrocknete Material protein- und mineralreich war, besonders an Kalzium, sodass es als Inhaltsstoff für Bio­dünger oder Tierfutter infrage kommt. Im Labor enthielten die Algen fast 39 % Protein; im größeren Freilandteich sank dieser Wert auf etwa 27 %, während der Mineralgehalt (als Asche gemessen) von ungefähr 31 % auf 47 % anstieg. Der Anstieg an Mineralstoffen spiegelt den natürlich hohen Kalzium­gehalt des Nejayote und den Konzentrationseffekt durch Verdunstung wider. Obwohl Spurenmetalle vorhanden waren, lagen deren Gehalte niedrig; die Autorinnen und Autoren vermerken, dass einfaches Waschen oder andere Nachbehandlungen die Sicherheit und Qualität weiter verbessern könnten.

Ein praktikabler Weg zu saubererer Tortilla-Produktion

Für Nicht-Fachleute ist die zentrale Botschaft: Eine mikroskopische Pflanze kann problematisches Abwasser der Lebensmittelindustrie in saubereres Wasser und ein nützliches Nebenprodukt verwandeln. Durch sorgfältiges Training und Skalieren von Haematococcus pluvialis zeigten die Forschenden, dass kleine und mittlere Tortillaproduzenten prinzipiell ein vergleichsweise einfaches, teichbasiertes System übernehmen könnten, das in ein Modell der zirkulären Bioökonomie passt. Auch wenn ein zusätzlicher Polierschritt nötig ist, um alle Einleitgrenzwerte sicher zu erreichen, demonstriert die Studie eine robuste, skalierbare Grundlage für eine umweltschonendere Tortilla‑Produktion, die Gewässer schützt und Wert aus zuvor ungenutztem Abfall schafft.

Zitation: Najar-Almanzor, C.E., García-Cayuela, T., Gutierrez-Uribe, J. et al. Bioremediation of alkaline corn wastewater with Haematococcus pluvialis under laboratory and 100 L raceway pond conditions. Sci Rep 16, 5340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35251-9

Schlüsselwörter: nejayote Abwasser, Bioremediation mit Mikroalgen, Haematococcus pluvialis, zirkuläre Bioökonomie, Maisverarbeitung