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Anammox ist ein Akronym das sich aus den Wortern Anaerobe Ammonium Oxidation zusammensetzt Die anaerobe Ammonium Oxidation ist ein biologischer Vorgang aus dem Bereich des Stickstoffkreislaufes Wie die Bezeichnung schon andeutet ist die anaerobe Ammonium Oxidation ein Oxidationsvorgang der ohne Sauerstoff anaerob ablauft Dabei wird Ammonium NH4 mit Nitrit NO2 unter anaeroben Bedingungen zu molekularem Stickstoff N2 synproportioniert NH4 NO2 N2 2 H2O Unter Standardbedingungen wird dabei je Mol oxidiertes Ammonium 357 8 kJ Energie frei DG0 357 8 kJ Inhaltsverzeichnis 1 Anammox Organismen 2 Bedeutung fur die Abwasserreinigung 3 Okologische Bedeutung 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseAnammox Organismen BearbeitenVon der Theorie schon Jahrzehnte zuvor postuliert 1 wurde die Anammox Reaktion erstmals in den 1980ern in einer Abwasserreinigungsanlage in Delft in den Niederlanden beobachtet Mike Jetten Verantwortlich dafur ist das bisher wenig beachtete Bakterium Candidatus Brocadia anammoxidans Anfang 2006 wurden von einem europaischen Forscherkonsortium Erkenntnisse zur Evolution und zum Stoffwechsel des erst seit wenigen Jahren bekannten Bakteriums gewonnen 2 Neben Brocadia anammoxidans wurde der Anammox Prozess auch bei den Bakterien Kuenenia stuttgartiensis und Scalindua sorokinii beobachtet wahrend erstere Susswasserorganismen sind lebt Scalindua im Meer nbsp Ladderan LipideDem Erbgut nach zahlt Candidatus Brocadia anammoxidans eindeutig zu den Bakterien doch besitzen die Mikroben Organellen wie es eigentlich nur bei den komplizierter aufgebauten Eukaryoten Lebewesen mit Zellkern ublich ist Die Zellwand der purpurroten Bakterien ahnelt dagegen der von Archaeen Brocadia anammoxidans nutzt die Anammox Reaktion zur Energiegewinnung wobei das giftige Zwischenprodukt Hydrazin entsteht Das Schlusselenzym der Reaktion eine Hydroxylamin Oxidoreduktase befindet sich in einer speziellen Organelle dem Anammoxosom 3 Lipide mit anellierten Cyclobutan Ringen aufgrund der leiterahnlichen Struktur als Ladderane bezeichnet verleihen der Membran des Anammoxosoms eine besonders dichte Struktur Ursprunglich wurde angenommen dass so das Austreten von Hydrazin aus dem Organell verhindert wird Diese Barrierewirkung ist jedoch experimentell widerlegt zudem finden sich Ladderane auch in anderen Membransystemen von Anammox Bakterien 4 Ein Forscherteam um Boran Kartal vom Max Planck Institut fur marine Mikrobiologie in Bremen hat einen Mikroorganismus Candidatus Methanoperedens nitroreducens eine Archaee aus der Ordnung der Methanosarcinales entdeckt der Methan in einer anaeroben Methanoxidation mit Hilfe von dreiwertigem Eisen in Kohlenstoffdioxid umwandeln kann Das dreiwertige Eisen wird dabei zu zweiwertigem Eisen reduziert das gut wasserloslich ist und somit anderen Organismen zur Verfugung steht Ausserdem kann Ca Methanoperedens nitroreducens Nitrat zu Ammonium reduzieren welches seinerseits in der Anammox Reaktion ohne Sauerstoff elementaren Stickstoff N2 bildet Somit konnte in einem Bioreaktor der zweierlei Mikroorganismen enthalt gleichzeitig Ammonium Methan und Nitrat aus dem Abwasser in harmlosen elementaren molekularen Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden wobei Kohlenstoffdioxid weniger klimaaktiv als Methan ist 5 6 7 Bedeutung fur die Abwasserreinigung BearbeitenDer Anammox Prozess ist nicht nur von akademischem Interesse sondern bietet eine vielversprechende Alternative zu der klassischen Methode in Klaranlagen Stickstoffverbindungen zu entfernen Wohl aus diesem Grund wurden auch schon mehrere Patente in Zusammenhang mit dem Anammox Prozess erteilt Im Gegensatz zu den fur biologische Klarstufen typischen Mikroben benotigt Brocadia anammoxidans keinen Sauerstoff und verbraucht noch dazu das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid Durch die entfallende Energieaufwendung zur Beluftung entstehen erhebliche Einsparpotenziale Zwar liegen wegen der mangelnden Betriebserfahrung bei der Anwendung des Verfahrens im Hauptstrom keine belastbaren Zahlen vor es werden jedoch Einsparpotenziale der Kosten auf bis zu 10 prognostiziert und gleichzeitig verringert sich der Ausstoss von Kohlenstoffdioxid bis 88 Fur die Entwicklung biologischer Verfahren legten die in den 90er Jahren durchgefuhrten Untersuchungen uber die mikrobiologischen Zusammenhange der Nitrifikation Denitrifikation sowie insbesondere die zunehmende Kenntnis uber 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 Eine erfolgreiche Anwendung von Anammox ist von unterschiedlichen Parametern abhangig z B von den vorherrschenden Temperaturen und dem Schlammalter In Deutschland wurden etwa seit dem Jahr 2000 auf unterschiedlichen Klaranlagen Anammox Projekte umgesetzt die bisher jedoch immer auf die Behandlung von Teilstromen konzentriert waren z B Schlammwasserbehandlung Bislang wird Anammox nur in Osterreich auf der Verbandsklaranlage Strass Zillertal in der Hauptstromdeammonifikation eingesetzt In Rotterdam setzte man diese Erkenntnisse seit Anfang 2006 um Zum jetzigen Zeitpunkt stehen eine Vielzahl verschiedener Verfahrenssysteme auf dem Markt zur Verfugung Inwieweit sie jeweils die Anforderungen an einen wirtschaftlichen und betriebsstabilen Betrieb erfullen wird sich in den nachsten Jahren mit zunehmenden Erfahrungen von grosstechnisch realisierten Anlagen zeigen Eine weitere noch unerforschte Variante der anaeroben Ammoniumoxidation ist die Oxidation mithilfe von Anoden bioelektrischer Systeme Solche Systeme konnen mikrobielle Brennstoffzellen oder mikrobielle Elektrolysezellen sein Unter Sauerstoffausschluss und in Abwesenheit von Nitrit oder Nitrat konnen Mikroorganismen die die anodische Halbzelle bevolkern Ammonium zu Distickstoff N2 oxidieren 8 Das Reaktionsprodukt ist also dasselbe wie im klassischen Anammox Verfahren Gleichzeitig werden die freigesetzten Elektronen auf die Anode ubertragen und konnen so einen elektrischen Strom erzeugen Dieser kann dann der entweder direkt im Brennstoffzellenmodus 9 genutzt werden oder im Elektrolyse Modus zur Erzeugung von Wasserstoff und Methangas 8 Wahrend der Reaktionsmechanismus noch ungeklart ist wurde vermutet dass Nitrit Nitrat oder Distickstoffoxid als Intermediate eine Rolle spielen 9 Da der Prozess jedoch auch bei sehr niedrigen elektrochemischen Potentialen stattfindet scheinen andere spekulative Reaktionsmechanismen ebenfalls moglich zu sein Okologische Bedeutung BearbeitenBisher nahm man an dass die sogenannte Denitrifikation stufenweise bakterielle Reduktion von Nitrat zu Stickstoffgas durch organische Stoffe bei Sauerstoffmangel fur die Freisetzung von Stickstoff allein verantwortlich ist Die Entdeckung der bakteriellen anaeroben Ammonium Oxidation hat somit weitreichende Konsequenzen fur das wissenschaftliche Verstandnis des Stickstoffkreislaufs Eine besondere Bedeutung fur den globalen Stickstoffkreislauf hat die Anammox in den Ozeanen 10 Die mathematischen Modelle welche die globale Stickstoffbilanz beschreiben mussen jetzt revidiert werden denn diese neu entdeckte Nahrstoff Senke hat direkten Einfluss auf die Berechnung des Kohlenstoffkreislaufs und damit auf langfristige Klimaabschatzungen Literatur BearbeitenM S Jetten et al 1994 2004 10 years of research on the anaerobic oxidation of ammonium In Biochem Soc Trans Bd 33 2005 S 119 123 PMID 15667281 M S Jetten et al Anaerobic ammonium oxidation by marine and freshwater planctomycete like bacteria In Appl Microbiol Biotechnol Bd 63 2003 S 107 14 PMID 12955353 M S Jetten et al Microbiology and application of the anaerobic ammonium oxidation anammox process In Curr Opin Biotechnol Bd 12 2001 S 283 288 PMID 11404106 M S Jetten et al The anaerobic oxidation of ammonium In FEMS Microbiological Reviews Bd 22 1998 S 421 437 PMID 9990725 U Abeling Stickstoffelimination aus Industrieabwassern Denitrifikation uber Nitrit In Schriftenreihe des Institutes fur Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universitat Hannover H 86 1994 O Nowak Nitrifikation im Belebungsverfahren bei massgebendem Industrieabwassereinfluss In Wiener Mitteilung H 135 1996 O Nowak K Svardal Observations on the kinetics of nitrification under inhibiting conditions caused by industrial wastewater compounds In Water Science and Technology Bd 28 1993 S 115 123 A A van de Graaf P de Bruijn A Robertson M S M Jetten J G Kuenen Metabolic pathway of anaerobic ammonium oxidation on basis of 15N studies in a fluidized bed reactor In Microbiology UK Bd 143 1997 S 2415 2421 M C M van Loosdrecht M S M Jetten Microbiological conversions in nitrogen removal In Wat Sci Tech Bd 38 1998 S 1 8 E W J van Niel A Robertson J G Kuenen 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 In FEMS Microbiology Ecology Bd 102 1993 S 99 108 Weblinks BearbeitenDie Spur der Anammox Bakterien Raketentreibstoff in der Membrantasche Ein Bakterium und viele uberraschende Entdeckungen Telepolis Wirkmechanismus von Kuenenia stuttgartiensis entschlusseltEinzelnachweise Bearbeiten Aharon Oren Anammox revisited thermodynamic considerations in early studies of the microbial nitrogen cycle FEMS Microbiol Lett 2015 Aug 362 15 fnv114 doi 10 1093 femsle fnv114 PMID 26174999 M Strous et al Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome In Nature Bd 440 Nr 7085 2006 S 790 794 PMID 16598256 C Jogler 2014 The bacterial mitochondrium In Molecular Microbiology Band 94 Nr 4 S 751 755 doi 10 1111 mmi 12814 PMID 25287615 S Neumann et al 2014 Isolation and characterization of a prokaryotic cell organelle from the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis In Molecular Microbiology Band 94 Nr 4 S 794 802 doi 10 1111 mmi 12816 PMID 25287816 Katharina F Ettwig Baoli Zhua Daan Speth Jan T Keltjens Mike S M Jetten Boran Kartal Archaea catalyze iron dependent anaerobic oxidation of methane 24 Oktober 2016 doi 10 1073 pnas 1609534113 pnas org Mohamed F Haroon Shihu Hu Ying Shi Michael Imelfort Jurg Keller Philip Hugenholtz Zhiguo Yuan Gene W Tyson Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage In Nature 500 Nr 7464 2013 S 567 570 doi 10 1038 nature12375 PMID 23892779 Annika Vaksmaa Simon Guerrero Cruz Theo A van Alen Geert Cremers Katharina F Ettwig Claudia Luke Mike S M Jetten Enrichment of anaerobic nitrate dependent methanotrophic Candidatus Methanoperedens nitroreducens archaea from an Italian paddy field soil in Appl Microbiol Biotechnol Band 101 Nr 18 S 7075 7084 4 August 2017 doi 10 1007 s00253 017 8416 0 PMID 28779290 PMC 5569662 freier Volltext a b M Siegert A Tan Electric stimulation of ammonotrophic methanogenesis In Frontiers in Energy Research 7 Jahrgang 2019 S 17 doi 10 3389 fenrg 2019 00017 a b A Vilajeliu Pons C Koch M D Balaguer J Colprim F Harnisch S Puig Microbial electricity driven anoxic ammonium removal In Water Research 130 Jahrgang 2018 S 168 175 doi 10 1016 j watres 2017 11 059 Moritz Holtappels Phyllis Lam Marcel M M Kuypers Der Stickstoffkreislauf im Ozean In Biospektrum Bd 15 Nr 4 2009 S 368 373 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Anammox amp oldid 228576569