Anammox

Anammox ist ein Kunstwort, das sich aus den Begriffen Anaerobe Ammoniak-Oxidation zusammensetzt. Die anaerobe Ammoniak-Oxidation ist ein biologischer Vorgang aus dem Bereich des Stickstoffkreislaufes.^[1]

Wie der Begriff schon andeutet, ist die Anamoxidation ein Oxidationsvorgang, der ohne Sauerstoff (anaerob) abläuft. Dabei wird Ammonium (NH₄) mit Nitrit (NO₂⁻) unter anaeroben Bedingungen zu molekularem Stickstoff (N₂) umgesetzt:

NH₄ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O

Die Anammox-Reaktion wurde erstmals in den 1980ern in einer Abwasseraufbereitungsanlage in Delft in den Niederlanden beobachtet. Verantwortlich dafür ist das bisher wenig beachtete Bakterium Candidatus Brocadia anammoxidans. Die Biologie des erst seit wenigen Jahren bekannten Bakteriums wurde von einem europäischen Forscherkonsortium Anfang 2006 entschlüsselt.^[2] Neben Brocadia anammoxidans wurde der Anammox-Prozess auch bei den Bakterien Kuenenia stuttgartiensis und Scalindua sorokinii beobachtet; während erstere Süßwasserorganismen sind, lebt Scalindua im Meer.

Dem Erbgut nach zählt Candidatus Brocadia anammoxidans eindeutig zu den Bakterien, doch besitzen die Mikroben Organellen, wie es eigentlich nur bei den komplizierter aufgebauten Eukaryoten (Einzellern mit Zellkern) üblich ist. Die Zellwand der purpurroten Bakterien ähnelt dagegen der von Archaeen, einer Klasse von primitiven Einzellern, die sich vornehmlich in extremen Umgebungen (Black Smoker) wohlfühlen. Brocadia anammoxidans nutzt die Anammox-Reaktion zur Energiegewinnung, wobei als Zwischenprodukt das giftige Hydrazin entsteht. Das Schlüsselenzym der Reaktion, eine Hydroxylamin Oxidoreduktase, befindet sich daher in einer speziellen Organelle, dem Anammoxosom. Leiterförmigen Ketten aus Kohlenstoff-Ringen (Ladderane), die mit der Membran des Anammoxosoms über Etherbrücken verankert sind, bilden eine einzigartige Struktur und verhindern so, dass das Hydrazin das Organell verlässt.

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Bedeutung für die Abwasserreinigung

Der Anammox-Prozess ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern bietet eine vielversprechende Alternative zu der klassischen Methode in Kläranlagen, Stickstoffverbindungen zu entfernen. Wohl aus diesem Grund wurden auch schon mehrere Patente in Zusammenhang mit dem Anammox-Prozess erteilt. Im Gegensatz zu den für biologische Klärstufen typischen Mikroben benötigt Brocadia anammoxidans keinen Sauerstoff und verbraucht noch dazu das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. Die Kosten reduzieren sich auf ca. 10% und gleichzeitig verringert sich der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid um 88%. Für die Entwicklung biologischer Verfahren legten die in den 90iger Jahren durchgeführten Untersuchungen über die mikrobiologischen Zusammenhänge der Nitrifikation/Denitrifikation sowie insbesondere die zunehmende Kenntnis über Hemmmechanismen innerhalb der Stickstoffumsetzung die Grundlage zur Entwicklung angepasster Verfahren unter gezielter Verwendung dieser Mechanismen. Beispielhaft sind hier zu nennen die Untersuchungen in Wien (Nowak und Svardal, 1993; Nowak, 1996), Delft (van Niel et al., 1993; van Loosdrecht und Jetten, 1998) und Hannover (Abeling, 1994; Hippen, 1999). Die weltweit erste auf Anammox basierende großtechnische Anlage wurde im Rahmen eines durch das Land Nordrhein Westfalen geförderten Forschungsprojektes im Jahre 2000 auf der Ruhrverbandsanlage Hattingen in Betrieb genommen. In Gelsenkirchen wird das Verfahren seit 2004 großtechnisch angewandt.In Rotterdam setzte man diese Erkenntnisse seit Anfang 2006 um. Zum jetzigen Zeitpunkt stehen eine Vielzahl verschiedener Verfahrenssysteme auf dem Markt zur Verfügung. Inwieweit sie jeweils die Anforderungen an einen wirtschaftlichen und betriebsstabilen Betrieb erfüllen, wird sich in den nächsten Jahren mit zunehmenden Erfahrungen von großtechnisch realisierten Anlagen zeigen.

Bedeutung für die Klimatologie

Bisher ging man davon aus, dass die sogenannte Denitrifikation (Umsetzung von Nitrat über Nitrit mit Hilfe von Sauerstoff, organischer Materie und Bakterien zu Stickstoffgas) für die Freisetzung von Stickstoff alleine verantwortlich ist. Die Entdeckung der anaeroben Ammoniak-Oxidation hat somit weitreichende Konsequenzen für das wissenschaftliche Verständnis des Stickstoffkreislaufs. Die mathematischen Modelle, welche die globale Stickstoffbilanz beschreiben, müssen jetzt revidiert werden, denn diese neu entdeckte Nährstoff-Senke hat direkten Einfluss auf die Berechnung des Kohlenstoffkreislaufs und damit auf langfristige Klimaabschätzungen.

Quellen

1. ↑ Der Vorgang der anaeroben Ammoniak-Oxidation ist zur Zeit (05/2006) noch in der Erforschung und noch nicht in allen Details geklärt. Den Vorgang an sich könnte man mit dem Begriff Anamoxidation treffend umschreiben.
2. ↑ Strous, M. et al. (2006): Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome. In: Nature. Bd. 440, Nr. 7085, S. 790-794. PMID 16598256

Literatur

• Jetten, M.S. et al. (2005): 1994-2004: 10 years of research on the anaerobic oxidation of ammonium. In: Biochem. Soc. Trans. Bd. 33, S. 119-123. PMID 15667281
• Jetten, M.S. et al. (2003): Anaerobic ammonium oxidation by marine and freshwater planctomycete-like bacteria. In: Appl. Microbiol. Biotechnol. Bd. 63, S. 107-14. PMID 12955353
• Jetten, M.S. et al. (2001): Microbiology and application of the anaerobic ammonium oxidation ('anammox') process. In: Curr. Opin. Biotechnol. Bd. 12, S. 283-288. PMID 11404106
• Jetten, M.S. et al. (1998: The anaerobic oxidation of ammonium. In: FEMS Microbiol. Rev. Bd. 22, S. 421-437.

PMID 9990725

• Abeling, U. (1994): "Stickstoffelimination aus Industrieabwässern - Denitrifikation über Nitrit", Schriftenreihe des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, H. 86
• Nowak, O. (1996): "Nitrifikation im Belebungsverfahren bei maßgebendem Industrieabwassereinfluß", Wiener Mitteilung, H. 135
• Nowak, O.; Svardal, K. (1993): "Observations on the kinetics of nitrification under inhibiting conditions caused by industrial wastewater compounds", Water Science and Technology, 28, S. 115-123
• van de Graaf, A. A.; de Bruijn, P.; Robertson, A.; Jetten, M. S. M.; Kuenen, J. G. (1997): "Metabolic pathway of anaerobic ammonium oxidation on basis of 15N-studies in a fluidized bed reactor", Microbiology (UK), 143, S. 2415-2421
• van Loosdrecht, M. C. M.; Jetten, M. S. M. (1998): "Microbiological conversions in nitrogen removal", Wat. Sci. Tech., 38, S. 1-8
• van Niel, E. W. J.; Robertson, A.; Kuenen, J. G. (1993): "A mathematical description of the behaviour of mixed chemostat cultures of an autotrophic nitrifier and a heterotrophic nitrifier / aerobic denitrifier; a comparison with experimental data", FEMS Microbiology Ecology, 102, S. 99 - 108