Anbau der nordischen Chlorococcum sp. im Ablauf der anaeroben Vergärung: Auswirkungen der CO2-Konzentration und der Reaktorkonfiguration

Abwasser als Ressource nutzen

Mit dem Wachstum von Städten spülen wir enorme Mengen verschmutzten Wassers weg, das noch Nährstoffe und Kohlenstoff enthält, die nutzbar wären. Statt dieses Wasser als Problem zu behandeln, untersuchen Wissenschaftler, wie winzige grüne Algen es in sauberes Wasser, nützliche Produkte verwandeln und sogar beim Klimaschutz helfen können. Diese Studie betrachtet eine robuste nordische Mikroalge und stellt eine praktische Frage: Unter welchen Bedingungen kann sie Abwasser am besten reinigen, Kohlendioxid binden und wertvolle Biomasse erzeugen?

Von Klärschlamm zu Algenfutter

Moderne Kläranlagen nutzen häufig die anaerobe Vergärung, einen Prozess, bei dem Mikroben Schlamm zersetzen und Biogas erzeugen. Übrig bleibt eine Flüssigkeit, die reich an Stickstoff und Phosphor ist. Wird sie ungeklärt eingeleitet, können diese Nährstoffe schädliche Algenblüten in Seen und Meeren auslösen. Die Forschenden nutzten diese Restflüssigkeit als Nährmedium für einen nordischen Stamm der grünen Mikroalge Chlorococcum. Da die Algen durch Photosynthese wachsen, versorgten sie sie zusätzlich mit Kohlendioxid (CO2), wobei Gasströme aus Rauchgasen nachgeahmt wurden. Durch Anpassung des CO2-Gehalts und des Typs des Kultivierungsgefäßes testeten sie, wie gut die Algen wachsen, Nährstoffe entfernen und Kohlenstoff in Biomasse umwandeln können.

Den richtigen CO2-Wert finden

Das Team konzentrierte sich zunächst auf die Luft, die die Algen „atmen“. Sie verglichen vier CO2-Niveaus: normale Luft (sehr niedriges CO2) und Luft angereichert auf 3, 6 oder 9 Prozent CO2. Zu wenig CO2 führte zu Kohlenstoffknappheit und hielt das Wasser auf einem unangenehm hohen pH-Wert, was schlechtes Wachstum zur Folge hatte. Zu viel CO2 senkte den pH-Wert zu stark und hemmte ebenfalls die Zellen. Der Sweet Spot lag bei 6 Prozent CO2: Dies erzeugte nahezu fünffach mehr Biomasse als normale Luft und die höchste CO2-Aufnahme pro Liter Kultur. Dennoch entfernten Algen, die mit normaler Luft gezüchtet wurden, mehr Ammonium und Phosphor aus dem Wasser, teilweise weil chemische Prozesse im alkalischen Wasser einen Teil des Stickstoffs gasförmig aus dem Wasser entfernten, unabhängig von biologischer Aktivität.

Das richtige Zuhause für Algen gestalten

Als Nächstes untersuchten die Wissenschaftler, wie das physische Design des Reaktors – das „Zuhause“ der Algen – die Leistung beeinflusst. Bei der optimalen CO2-Konzentration von 6 Prozent verglichen sie eine einfache Blasensäule, einen Airlift-Reaktor mit einer inneren Röhre zur Förderung der Zirkulation und eine Blasensäule mit schwimmenden Kunststoffträgern, die Oberflächen zur Anhaftung der Algen bieten. Alle drei Konstruktionen hielten das Wasser bei einem angenehmen, nahezu neutralen pH-Wert. Der Airlift-Reaktor erzeugte in kürzester Zeit die höchste Zellzahl, was ihn attraktiv macht, wenn schnelles Wachstum gefragt ist. Die einfache Blasensäule erreichte jedoch die höchste Endbiomasse und entfernte am meisten Ammonium und Phosphor, wenngleich sie dafür etwas länger brauchte. Die Variante mit Trägern verbesserte die CO2-Nutzung leicht, brachte aber für diesen speziellen Algenstamm keinen klaren Vorteil bei Wachstum oder Nährstoffentfernung.

Algen als Plattform für künftige Kraftstoffe

Neben der Wasserreinigung und CO2-Bindung sind Mikroalgen interessant, weil ihre öligen Bestandteile zu Biodiesel verarbeitet werden können. Die Forschenden bestimmten Proteine, Kohlenhydrate und verschiedene Fettarten in der Algenbiomasse. Protein- und Zuckergehalte blieben über CO2-Niveaus und Reaktortypen hinweg relativ konstant, was zeigt, dass der Stamm metabolisch stabil ist. Dagegen reagierte der Fettanteil stark auf CO2. Bei niedrigem CO2 produzierten die Algen relativ wenig Fett und bevorzugten mehrfach ungesättigte Moleküle, die typischerweise in Zellmembranen vorkommen. Bei höherem CO2 akkumulierten sie deutlich mehr Fett und verschoben sich hin zu einfach ungesättigten Molekülen, die besser für Biodiesel geeignet sind und Profilen nahe bestehender Kraftstoffstandards entsprechen. Wichtig ist, dass die Änderung des Reaktordesigns diese biochemische Zusammensetzung nicht veränderte, sodass Ingenieure Reaktoren nach Kosten und Leistung auswählen können, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.

Was das für sauberes Wasser und Klimaziele bedeutet

Für einen Laien zeigt diese Studie, dass eine robuste nordische Alge einen problematischen Abfallstrom aus der Abwasserbehandlung in saubereres Wasser, gebundenes Kohlenstoffdioxid und potenziell nutzbare Biokraftstoffe verwandeln kann. Die Arbeit identifiziert ein praktisches Betriebsfenster: eine moderate CO2-Anreicherung um etwa 6 Prozent in Kombination mit schnellen Airlift-Reaktoren oder gründlicher reinigenden Blasensäulen, je nachdem, ob Geschwindigkeit oder Nährstoffentfernung Priorität hat. Zwar bleiben Herausforderungen wie Erntekosten und großtechnische Auslegung, doch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mikroalgenbasierte Systeme Städten helfen könnten, Umweltauflagen zu erfüllen, Nährstoffverschmutzung zu reduzieren und Klima- sowie Energieziele durch die Integration von Abwasserbehandlung und Biomasseproduktion zu unterstützen.

Zitation: Mohammadkhani, G., Mahboubi, A., Funk, C. et al. Cultivation of Nordic Chlorococcum sp. in anaerobic digestion effluent: Effects of CO₂ concentration and reactor configuration. Sci Rep 16, 13625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51126-5

Schlüsselwörter: Mikroalgen-Abwasserbehandlung, Kohlenstoffdioxidabscheidung, Ablauf der anaeroben Vergärung, Potenzial von Algen-Biokraftstoffen, Photobioreaktor-Design