Nitrifikation: Laborexperimentezumbesseren Verständnisder Biofiltrationin Aquakulturanlagen

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1 Universität Hamburg Nitrifikation: Laborexperimentezumbesseren Verständnisder Biofiltrationin Aquakulturanlagen Eva Spieckund Sabine Keuter, Abteilung Mikrobiologie und Biotechnologie, Universität Hamburg

2 Stickstoffkreislauf der Natur Nitrifizierende Bakterien Ammoniakoxidanten NN 2 2 N 2 O Nitritoxidanten N 2 -Fixierung N 2 NO 3 - Proteolyse Denitrifikation zentrale Rolle im Stickstoffkreislauf Spaltprodukte NO 3 - Ammonifikation Humus NH 4 + NO 2 - Ammoniakoxidation Nitritoxidation Nitrifikation

3 1 Jahr alter Biofilm auf einem HDPE- Füllkörper

4 Chemolithoautotrophe Nitrifikation Ammoniak oxidierende Bakterien (AOB) NH3 ΔGº = -275 kj mol N NO2Nitrit oxidierende Bakterien (NOB) ΔGº = -74 kj mol N NO3-

5 Nitrifikation in marinen RAS Lange und kritische Startphasen bis zu mehreren Monaten Ausfall von Nitrifikationsstufen führt zu hohen Konzentrationen von Ammonium oder Nitrit hohe Wasseraustauschraten, Beeinträchtigung der Fische bzw. Mortalitäten Auslöser und Gründe von Ausfällen oft nicht bekannt Wissen über die Bakterien und ihre Physiologie begrenzt Biofilter sind teuer und wichtig in marinen RAS, müssen jedoch immer noch als black box angesehen werden

6 DBU Projekt ( ): Verfahrenstechnische und mikrobiologische Optimierung von Biofiltersystemen in marinen Aquakulturanlagen Nitrifikationspotentiale Dominierende AOB und NOB Potentielle Inhibitoren der Nitrifikation Lagerung und Reaktivierung von Füllkörpern

7 RAS der Projektpartner Marifarm C (Garnelen) Ecomares C (Steinbutt und Wolfsbarsch) Büsum Strande GMA C (Steinbutt) und 25 C (Wolfsbarsch)

8 Nitrifikationspotentiale Ermittlung der Aktivitäten von AOB und NOB unter optimalen Laborbedingungen

9 Nitrifikationspotentiale die Nitrifikationspotentialeder AOB und NOB korrelieren mit dem N-Eintrag AOB entwickeln früher Aktivitäten NOB in eingefahrenen BF sind aktiver als AOB 15

10 Dominierende AOB und NOB in Biofiltern von marinen RAS 21

11 Die häufigsten nitrifizierenden Bakterien auf den Füllkörpern waren versch. Nitrosomonas Arten(AOB) versch. Nitrospira Arten (NOB) Weitere Nitrifikanten, die mittels 16S rrna Sequenzanalyse detektiert wurden: AOB: Nitrosospira NOB: Nitrobacter Nitrotoga Nitrospina

12 Detektion von Nitrospira im Ecomares Biofilter 10µm 10µm elektronenmikroskopische Aufnahme des Biofilms auf einem Füllkörper mit Sonde 712 (Nitrospirae) hybridisiert

13 Metabolische Aktivität von Nitrospira Fettsäureprofile von Biofilmen nach Inkubation mit 13 C-Bikarbonat und Nitrit Fettsäure en Gesamtfettsäuren [%] Markierte Fettsäuren [%] elektronenmikroskopische Aufnahme des Biofilms auf einem Füllkörper (Myriam Kruse, Univ. Bonn)

14 Isolierung einer Nitrospira - Art Nitrospira strain Ecomares 2.1 nah verwandt mit Ns. marina(98,8 %) tolerant gegenüber hohen Konzentrationen von NH 4, NO 2 and NO 3 starke Tendenz EPS zu entwickeln mixotrophes Wachstum (Pyruvat, Pepton) hohe Übereinstimmung mit Sequenzen aus anderen marinen RAS [Keuter et al., 2011, Environ Microbiol 13(9)]

15 Mikroorganismen in Biofiltern die Zusammensetzungder Nitrifikantenin den untersuchten BF ist sehr ähnlich Nitrosomonas und Nitrospira sind dominante AOB bzw. NOB charakteristische Arten in marinen RAS

16 Haben migrierende Substanzen aus Kunststoffen und hohe Nitratkonzentrationen Auswirkungen auf die Nitrifikation?

17 Plastik in Fischzuchtanlagen Fast überall finden sich Kunststoffe (Rohre, Becken, Füllkörper) KunststoffeenthaltenchemischeAdditive fürdie Bearbeitung und zur Verbesserung ihrer Stabilität (Antioxidantien, Stabilisatoren, Katalysatoren, Gleitmittel, etc.) Diese migrieren in das umgebende Wasser Auswirkungenauf das Wachstum von Nitrifizierern??

18 Plastik-Hemmtest 5 Substrat Oxidation Mineralsalz-Medium + NH 4+ oder NO 2 - Konz. Nitrit Kontrolle ohne Plastik Tage mit Plastik Analyse der Nitrifikationsleistung mittels HPLC Messungen

19 schwache Hemmung mittlere Hemmung Plastik-Hemmtests AOB NOB PP recyc Glasfasern PP neu Glasfasern HDPE recyc HDPE neu PP neu PP recyc Talkum LDPE HDPE Trinkwasserzl. starke Hemmung PP = Polypropylen LDPE = low-density Polyethylen HDPE = high-density Polyethylen recyc = recyceltes Material mit Ruß

20 Kunststoffe Nitrifikantenwerden durch Substanzen gehemmt, die aus Kunststoffen migrieren verschiedene Kunststoffe inhibierten die Nitrifikation unterschiedlich stark Hemmung ist abhängig von der Konzentration der Substanzen Substanzen sind flüchtig NOB werden stärker gehemmt als AOB

21 Hemmung durch Nitrat (Kulturen) Nb 0 mm Nb 150 mm Nb 200 mm Eco 0 mm Eco 100 mm Eco 150 mm Nitrit [µm] Zeit [Tage]

22 Hemmung durch Nitrat (Füllkörper) Substrat-Oxidation von NOB auf Füllkörpern mm Nitrat 3 mm 30 mm 55 mm Nitrit [µm] Zeit [Stunden]

23 Nitrat NOB im natürlichen Biofilmwurden stärker durch Nitrat gehemmt als NOB Kulturen Ammoniak-Oxidation wurde nicht gehemmt (Kulturen und Füllkörper)

24 Lagerung und Reaktivierung von Füllkörpern

25 Lagerung und Reaktivierung von Füllkörpern Lagerung von bewachsenen Füllkörpern bei 4 und 17 C in Leitungswasser/Meerwasser oder trocken nach 3, 6, 9 und 12 Monaten wurden die Restaktivitäten von AOB und NOB bestimmt Trocken gelagerte Füllkörper: Keine sofortige Reaktivierung, aber z.b. Substratumsetzung (1 mm) innerhalb 24 Tagen nach 6 Monaten (4 C)

26 Lagerung in Meer- und Leitungswasser 50 Prozent der ursprünglichen Aktivitäten AOB 4 NOB 17 NOB Monate 4 AOB

27 Lagerung von Füllkörpern Nitrifikantenim Biofilmauf Füllkörpern überleben extrem lange Hungerphasen beste Ergebnisse nach Lagerung in Wasser bei 4 C kaum lag-phasen (AOB > NOB) NOB zeigten höhere Restaktivitäten als AOB

28 Projekt- und Kooperationspartner Labor für limnische und marine Forschung und vergleichende Pathologie, Hamburg GEA 2H Water Technologies, Wettringen Gesellschaft für marine Aquakultur, Büsum Aquakulturanlagen- und Aquarienbau, Plauen AG Aquatische Biotechnologie Abt. Lebensmittelmikrobiologie und -hygiene

29 Universität Hamburg VielenDank fürihre Aufmerksamkeit!!