Kalte atmosphärische Plasma für die bakterielle Inaktivierung in Nilwasser und Abwasser

Warum saubereres Wasser wichtig ist

Sicheres Wasser bildet die Grundlage der öffentlichen Gesundheit, doch Flüsse und Abwasserströme enthalten oft krankheitserregende Mikroben, die traditionelle Behandlungsverfahren umgehen. Diese Studie untersucht ein Werkzeug der modernen Physik, genannt kaltes atmosphärisches Plasma — ein bei Raumtemperatur ionisiertes Gas — um zu prüfen, ob es schädliche Bakterien im Nilwasser und im Rohabwasser leise und effizient ausschalten kann, ohne Chemikalien zuzufügen.

Ein neuer Weg, schmutziges Wasser zu reinigen

Die Forschenden konzentrierten sich auf zwei häufige Bakteriengruppen, die fäkale Verschmutzung anzeigen und schwer zu entfernen sein können: Escherichia coli, ein gramnegatives Bakterium, das weit verbreitet als Indikator für Kontamination verwendet wird, und Bacillus-Arten, grampositive Bakterien, die widerstandsfähige Sporen bilden. Sie sammelten echtes Nilwasser und Abwasser, nicht nur gereinigtes Laborwasser, um zu testen, wie sich der Ansatz in komplexen, natürlich verschmutzten Mischungen bewährt. Ihr Ziel war herauszufinden, wie schnell kaltes atmosphärisches Plasma lebende Bakterien reduzieren kann und ob es als praktische, umweltfreundliche Stufe in der Wasserbehandlung funktionieren könnte.

Wie die Plasmabehandlung wirkt

In ihrem Aufbau befand sich eine dünne Draht-Elektrode knapp über der Wasseroberfläche in einem Glasrohr, gespeist von einem gewöhnlichen Hochspannungsnetzteil. Beim Einschalten bei einer sorgfältig gewählten Spannung entstand eine sanfte, nicht-thermische Koronaentladung: ein Geflecht winziger Plasmafilamente zwischen Draht und Wasser. Obwohl das Gas über der Oberfläche nahe Raumtemperatur blieb, war es gefüllt mit energiereichen Elektronen, Ionen und kurzlebigen reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies. Diese reaktiven Teilchen dringen ins Wasser ein, wo sie langlebigere chemische Spezies wie Wasserstoffperoxid und Nitrat erzeugen, die Mikroben angreifen können, ohne die Flüssigkeit zu kochen.

Was mit den Mikroben geschah

Um die Wirkung auf Bakterien zu verfolgen, zählte das Team Kolonien auf Nährbodenplatten vor und nach kurzen Plasmaexpositionen. Im Nilwasser reduzierte achtminütige Behandlung die Bakterienzahl um mindestens den Faktor eine Million, bis zu dem Punkt, an dem keine Kolonien mehr wuchsen. Im Abwasser reichten sechs Minuten aus, um nachweisbare Bakterien zu entfernen. Gramnegative E. coli ließen sich leichter inaktivieren als grampositive Bacillus, was ihre dünneren Zellwände und empfindlicheren äußeren Schichten widerspiegelt. Als die Wissenschaftler das Wachstum von E. coli über einen ganzen Tag verfolgten, zeigte sich, dass die Exposition während der aktiven Wachstumsphase starke Einbrüche in der Trübung verursachte, teilweise ein Nachwachsen überlebender Zellen erfolgte und schließlich ein erneuter Rückgang eintrat — ein Hinweis darauf, dass das Plasma anhaltende Schäden verursachte und keine bloße vorübergehende Störung.

Veränderungen in den Zellen und im Wasser

Rasterelektronenmikroskopie bot eine Nahaufnahme des Kampfes zwischen Plasma und Bakterien. Unbehandelte Zellen erschienen als glatte Stäbchen, doch plasmabehandelte Zellen wurden eingedrückt, verpickt und schließlich zu schrumpeligen Fragmenten mit zahlreichen Löchern zusammengebrochen. Diese Formen sind Kennzeichen oxidativer Schäden an Membranen und Stützstrukturen. Gleichzeitig veränderte sich auch das Wasser: Seine Temperatur stieg an der Oberfläche nur auf etwa 54 Grad Celsius, deutlich unter typischen Temperaturen zur Hitzesterilisation, was bestätigt, dass es sich nicht um einen thermischen Prozess handelte. Der pH-Wert fiel von nahezu neutral auf saure Werte um 3, und die elektrische Leitfähigkeit stieg, als neue Ionen gebildet wurden — konsistent mit der Anreicherung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen, die bei der Inaktivierung von Mikroben helfen.

Was das für die zukünftige Wasserbehandlung bedeuten könnte

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass korona-basiertes kaltes atmosphärisches Plasma die bakterielle Kontamination sowohl in Flusswasser als auch in Abwasser stark reduzieren kann, ohne auf Chlor oder hohe Hitze angewiesen zu sein. Es schädigt Zellen durch chemisch reaktive Spezies und elektrische Effekte statt durch Erhitzen und bleibt sogar gegenüber relativ resistenten grampositiven Bakterien wirksam. Zwar sind weitere Arbeiten nötig, um die Methode zu skalieren und langfristige Nebenprodukte zu bewerten, doch die Studie deutet darauf hin, dass nicht-thermisches Plasma eine nützliche, umweltfreundliche Ergänzung im Instrumentarium zur Sicherung von Trinkwasser und zur Abwasserbehandlung in Regionen mit anhaltender mikrobieller Verschmutzung werden könnte.

Zitation: El-Hossary, F.M., Noureldein, E.A., El-Kassem, M.A. et al. Cold atmospheric plasma for bacterial inactivation in Nile water and wastewater. Sci Rep 16, 15749 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52839-3

Schlüsselwörter: kaltes atmosphärisches Plasma, Wasserdesinfektion, Nil, Abwasserbehandlung, bakterielle Inaktivierung