Isolierung aerob denitrifizierender Bakterien Stutzerimonas stutzeri und deren Anwendung in der Behandlung von Kokereiabwasser

Warum die Reinigung von Betriebswasser wichtig ist

Die Stahlherstellung und andere Schwerindustrien nutzen spezielle Öfen, um Kohle in Koks zu verwandeln, einen Brennstoff, der Hochöfen am Laufen hält. Dabei entsteht dunkles, chemikalienbelastetes Abwasser. Dieses Wasser enthält hohe Konzentrationen stickstoffhaltiger Verbindungen und hartnäckiger organischer Schadstoffe, die toxische Algenblüten auslösen, Fische vergiften und Trinkwasser verunreinigen können. Die hier beschriebene Studie untersucht, wie ein natürlich vorkommendes Bakterium, das aus dem Abwasser einer Kokerei isoliert wurde, als lebendes Werkzeug eingesetzt werden kann, um gefährlichen Stickstoff und organische Verschmutzung aus diesem schwierigen Abwasserstrom zu entfernen.

Eine besonders schwierige Abwasserart

Kokereiabwasser gehört zu den am stärksten belasteten Industrieabwässern. Es enthält Stickstoff in vielen Formen – wie Nitrat, Nitrit und Ammoniak – sowie komplexe organische Chemikalien, von denen einige krebserregend sind. Wenn es unbehandelt in die Umwelt gelangt, fördert dieser Stickstoff explosionsartige Algen- und Pflanzenvermehrung, was zu Sauerstoffeinbrüchen führt, die Fische und andere Lebewesen ersticken. Beim Menschen kann ein Überschuss an Nitrat die Sauerstofftransportfähigkeit des Blutes bei Säuglingen schädigen und zur Bildung krebsfördernder Verbindungen beitragen. Wegen der Kombination aus Salzgehalt, Stickstoff und toxischen Organika ist Kokereiabwasser schwerer zu behandeln als normales kommunales Abwasser und stellt konventionelle Kläranlagen vor besondere Herausforderungen.

Ein hilfreiches Mikrobenwesen im Abwasser finden

Die Forschenden entnahmen Wasser aus einer sauerstoffarmen Zone einer Kokerei und kultivierten die dort vorhandenen Mikroben unter Bedingungen, die solche begünstigten, die Nitrat entfernen können. Nach einer Reihe sorgfältiger Verdünnungs- und Reinigungsmaßnahmen isolierten sie mehrere Bakterienstämme und identifizierten den vielversprechendsten mittels DNA-Sequenzierung des 16S-rRNA-Gens. Dieser Stamm, bezeichnet als Stutzerimonas stutzeri KA1, gehört zu einer Gruppe, die bereits dafür bekannt ist, Nitrat in harmloses Stickstoffgas umzuwandeln. Das Team verglich dann, wie gut verschiedene Stämme Nitrat in einem kontrollierten Labormedium reduzierten. KA1 fiel dadurch auf, dass er Nitrat unter warmen, sanft gerührten Bedingungen schnell senkte und sich so als vielversprechender Kandidat für den industriellen Einsatz erwies.

Prüfen, womit dieses Bakterium zurechtkommt

Um zu sehen, wie sich KA1 in realen Behandlungssystemen verhalten könnte, variierten die Wissenschaftler jeweils einen Faktor: die Art der Nahrungsquelle, das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff, den Sauerstoffgehalt sowie den Säure‑ bzw. Alkalitätsgrad (pH). Sie stellten fest, dass einfache, leicht verdauliche Kohlenstoffquellen am besten wirkten; Natriumacetat ermöglichte KA1, nahezu sämtliches Nitrat in etwa 40 Stunden zu entfernen. Ein mittleres C/N-Verhältnis führte zur schnellsten Entfernung; zu wenig Kohlenstoff führte zu Nährstoffmangel, während ein Überschuss keine weiteren Vorteile brachte. Überraschenderweise arbeitete KA1 über ein weites Spektrum gelöster Sauerstoffgehalte hinweg weiter – von keinen Sauerstoff bis hin zu vollständig belüfteten Bedingungen – was darauf hindeutet, dass er auch bei Luftzufuhr in Becken weiter denitrifizieren kann. Er hielt außerdem nahezu vollständige Nitratentfernung im pH-Bereich von 6 bis 10 aufrecht, ein breites Spektrum, das viele reale Abwässer abdeckt. Diese Eigenschaften deuten auf ein robustes Mikroorganismus hin, das wechselnden Bedingungen gegenüber tolerant bleibt, ohne an Wirksamkeit zu verlieren.

Vom Kolben zum funktionierenden Reaktor

Das Team ging dann von kleinen Kolben zu Miniaturbehandlungssystemen über, den sogenannten Sequencing-Batch-Reaktoren, die Zyklen in echten Anlagen nachahmen. Alle Reaktoren erhielten Belebtschlamm, die übliche Mikrobenmischung in der Abwasserbehandlung, aber nur zwei wurden mit KA1 „bioaugmentiert“. Über wiederholte Betriebszyklen entfernten zunächst alle Reaktoren etwas Nitrat, was zeigte, dass die einheimischen Mikroben bereits aktiv waren. Mit der Zeit verlor jedoch der nicht augmentierte Reaktor an Leistung, während die mit KA1 angereicherten Reaktoren weiterhin besser wurden und schließlich deutlich höhere Nitratentfernungen erreichten, selbst unter salzhaltigen Bedingungen, die andere Bakterien oft hemmen. Die Studie verfolgte außerdem die chemische Sauerstoffforderung (CSB), ein allgemeines Maß für organische Verschmutzung, und stellte fest, dass KA1‑behandelte Systeme diese Organika schneller abbauten als die Kontrollen, wodurch die CSB‑Werte schneller gegen Null getrieben wurden.

Was das für sauberere Industrie bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Die Forschenden haben ein widerstandsfähiges „Reinigungs“bakterium gefunden und getestet, das in dem sehr belasteten Wasser, das es behandeln soll, gut gedeiht. Stutzerimonas stutzeri KA1 kann nahezu sämtliches Nitrat über realistische Bereiche von Sauerstoff, Salzgehalt und pH entfernen und hilft zugleich, andere organische Schadstoffe zu reduzieren. Wird es zu Standardbehandlungssystemen hinzugefügt, steigert es sowohl die Stickstoff‑ als auch die CSB‑Entfernung über das hinaus, was die bestehende mikrobielle Gemeinschaft allein leisten kann. Da es effizient arbeitet und raue Bedingungen toleriert, könnte KA1 Stahl‑ und Kokereibetrieben helfen, Umweltauflagen kostengünstiger und einfacher zu erfüllen, die Belastung durch stickstoffgetriebene Wasserverschmutzung zu verringern und so Flüsse, Seen und Küstenökosysteme stromabwärts besser zu schützen.

Zitation: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

Schlüsselwörter: Kokereiabwasser, aerobe Denitrifikation, Stutzerimonas stutzeri, Bioaugmentation, Stickstoffentfernung