Phosphor im Abwasser trägt maßgeblich zu schädlichen Algenblüten in Gewässern auf der ganzen Welt bei und kann Wildtieren, Nutztieren und sogar Menschen schaden. Um dies zu verhindern, greifen Kläranlagen oft auf chemikalien- und energieintensive Techniken zurück, um Phosphor zu entfernen, bevor er in flussabwärts gelegene Gewässer gelangen kann.
Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) wollten eine neue Technologie zur Phosphorentfernung aus Abwasser entwickeln, indem sie die Fähigkeit von Algen maximierten, Sonnenenergie zu nutzen, um Phosphor effizient aus dem Wasser anzusammeln und zu entfernen und ihn als Polyphosphat in der Zelle zu speichern.
Das Revolving Algal Biofilm (RAB)-System von Gross-Wen Technologies ist eine aufstrebende Technologie, die genau das leistet. Beim RAB-System werden phosphorbeladene Algen in Abwasser auf einem umlaufenden Band kultiviert. Die gewachsene Algenbiomasse kann dann vom Band geerntet und getrocknet werden, um sie als landwirtschaftlichen Dünger oder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Biokraftstoffen und Bioprodukten zu verwenden. Dieser Prozess kann dazu beitragen, den Phosphorkreislauf zu schließen, indem Phosphor im Abwasser recycelt und wiederverwendet wird, wodurch der Bedarf an begrenzten abbaubaren Phosphorressourcen verringert wird.
Jetzt haben sich Forscher von NREL, Gross-Wen Technologies und dem Metropolitan Water Reclamation District im Großraum Chicago im Rahmen eines Zuschusses des Technology Commercialization Fund (TCF) des US-Energieministeriums (DOE) zusammengetan, um das RAB-System weiterzuentwickeln. TCF-Zuschüsse zielen darauf ab, neue Energietechnologien auf den Markt zu bringen, indem DOE-Mittel sowie nationale Laborexpertise und -infrastruktur eingesetzt werden.
Das Forscherteam untersuchte die einzigartigen Eigenschaften der Phosphoraufnahme in den in RAB-Systemen lebenden Algenstämmen. In einem Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Grenzen in der Mikrobiologie, erläuterte das Team, wie bestimmte Algenarten die breitere Algenpopulation im System übertreffen. Diese Ergebnisse können Erkenntnisse zur Verbesserung der RAB-Leistung liefern und gleichzeitig die Einnahmequellen für Pflanzendünger oder Bioenergierohstoffe erhöhen.
„Wir waren neugierig, welche der in diesen Systemen lebenden Algenarten den größten Beitrag zur Entfernung des Phosphors aus dem Abwasser leisteten“, sagte Eric Schaedig, NREL-Forscher und Hauptautor der Studie. „Wenn wir aus biologischer Sicht RAB-Systeme isolieren und mit diesen fleißigen Algenarten anreichern können, würde das die Effizienz des Gesamtsystems steigern und uns helfen, den Kreislauf im Phosphorkreislauf zu schließen.“
Warum die Optimierung von Algenbiofilmsystemen die Effizienz steigern kann
Ein interessantes Verhalten von Algen ist ihre Fähigkeit, Phosphor in Mengen aufzunehmen, die ihren unmittelbaren Nährstoffbedarf übersteigen. Dieser Prozess wird als „Luxusaufnahme“ bezeichnet und ist einer der Vorteile der Verwendung von Algen zur Abwasserbehandlung und Nährstoffrückgewinnung, insbesondere für RAB-Systeme.
In einem RAB-System haftet eine Algengemeinschaft als Biofilm an einem vertikalen, umlaufenden Band, das teilweise im Abwasser eingetaucht ist. Während ihres Wachstums nehmen die Algen unter Wasser Phosphor und andere Schadstoffe aus dem Abwasser auf und über Wasser Kohlendioxid und Sonnenlicht. Diese einzigartige Umgebung beherbergt viele Algen, und das NREL-Team versuchte, diese Organismen zu isolieren und zu charakterisieren.
Schaedig sagte, dass der Prozess der Isolierung und Charakterisierung der in den RAB-Systemen heimischen Algenstämme eine Möglichkeit sei, diese Systeme zu optimieren. Sobald Phosphor-hyperakkumulierende Algenstämme im Labor isoliert und identifiziert wurden, können sie wieder in andere RAB-Systeme eingeführt werden und gedeihen, wodurch die Phosphoraufnahme durch die RAB-Systeme verbessert wird.
Von den 101 identifizierten Algenstämmen wiesen sieben einen hohen Polyphosphatgehalt auf
Die Forscher isolierten fast 770 Algenstämme aus Biofilmproben, die in acht aktiven RAB-Systemen in Iowa und Illinois gesammelt wurden. „Viele davon waren Duplikate derselben Algenart, und wir haben diese Zahl mithilfe der Mikroskopie auf 101 einzigartige Stämme reduziert“, sagte Schaedig. Diese 101 einzigartigen Stämme wurden mittels DNA-Sequenzierung identifiziert und der Polyphosphatgehalt jedes einzelnen wurde mithilfe fortschrittlicher Screening-Techniken bestimmt.
Die Ergebnisse waren vielversprechend. Sieben isolierte Algenstämme besaßen mindestens 50 % mehr Polyphosphat, gemessen am Zelltrockengewicht (CDW), im Vergleich zu einer Basisalgengemeinschaft im RAB-System, die 5,1 % Polyphosphat, gemessen am CDW, aufwies. Der höchste Phosphor-hyperaakkumulierende Stamm, Craticula molestiformis TCF-8d, akkumulierte durch CDW 14,0 % Polyphosphat.
Die Forscher entdeckten außerdem, dass die Algengemeinschaften des RAB-Systems je nach Probenstandort und Zeitpunkt unterschiedlich waren, was darauf hindeutet, dass sich die RAB-Gemeinschaften aufgrund saisonaler Veränderungen des Lichts und der Temperatur oder der Abwasserzusammensetzung verändern können.
Das Forschungsteam führte Folgeexperimente durch, um zu bestätigen, ob die am stärksten akkumulierenden Algenstämme in realen RAB-Systemen überleben und wachsen würden. Einer der Stämme, Chlamydomonas pulvinata, zeigte eine starke Leistung, gedieh im System und steigerte die Phosphorentfernungsrate des modifizierten Systems auf 70 %, was dem Doppelten der Entfernungsrate einer unmodifizierten RAB-Biofilmgemeinschaft entspricht.
Versprechen einer Ressourcenrückgewinnung über Phosphor hinaus
Phosphor ist ein lebenswichtiger Nährstoff für alles Leben auf der Erde und unser tägliches Leben ist voll davon. Die Nahrung, die wir zu uns nehmen, und die Produkte, die wir auf unseren Körper auftragen und einreiben, sind reich an Phosphor, der schließlich mit dem Abwasser, das wir produzieren, aus unseren Häusern gespült wird. Dieses phosphorreiche Abwasser ist für Bäche, Bäche und Seen bestimmt, wo es schädliche Algenblüten auslösen kann, die diesen aquatischen Ökosystemen lebenswichtigen Sauerstoff entziehen.
Diese Forschung hat gezeigt, dass Phosphor-hyperaakkumulierende Algen das Potenzial haben, uns dabei zu helfen, den von uns in die Umwelt abgegebenen Phosphor einzufangen und wiederzuverwenden, bevor er seinen Tribut an aquatische Ökosysteme fordern kann. Dies kann nicht nur dazu beitragen, schädliche Algenblüten in aquatischen Ökosystemen zu verhindern, sondern auch einen geschlossenen Kreislauf für den Phosphor schaffen, auf den wir angewiesen sind. Zusätzlich zur Phosphorrückgewinnung könnten die Ergebnisse dieser Forschung weitere Vorteile für die Rückgewinnung und Wiederverwendung anderer wertvoller Ressourcen haben, die im Abwasser verloren gehen.
„Das Schöne an dieser Forschung zu Phosphor-hyperaakkumulierenden Algen ist ihre Bedeutung, die über die bloße Phosphorrückgewinnung hinausgeht“, sagte Jianping Yu, leitender Forscher am NREL und leitender Autor der Studie. „Es ist bekannt, dass Polyphosphat Metalle in Algen bindet und dort ansammelt. Daher könnten die in dieser Studie isolierten Stämme vielversprechend für andere Anwendungen zur Beseitigung von Algenabfällen sein, etwa zur Entfernung oder Rückgewinnung schädlicher oder wertvoller Metalle aus industriellen Prozessen und Abwässern.“
Mehr Informationen:
Eric Schaedig et al., Isolierung von Phosphor-hyperakkumulierenden Mikroalgen aus Abwasserbehandlungssystemen mit rotierendem Algenbiofilm (RAB), Grenzen in der Mikrobiologie (2023). DOI: 10.3389/fmicb.2023.1219318