Bakterien und aktive Biofilme

Bak­te­ri­en sind in der Natur an Diver­si­tät kaum zu über­tref­fen. Sie sind jedoch so klein, dass wir sie mit unse­ren Augen nicht erken­nen kön­nen. Als unsicht­ba­re Krank­heits­er­re­ger sind sie uns Men­schen sehr suspekt. Dass sie auf der Haut und im Darm für den Erhalt unse­rer Gesund­heit nötig sind, hat uns erst die moder­ne Mole­ku­lar­bio­lo­gie gezeigt. Und auch in der Lebens­mit­tel­pro­duk­ti­on und ‑ver­ar­bei­tung sind Bak­te­ri­en nicht weg­zu­den­ken. Bestimm­te Arten wer­den seit lan­gem für die Her­stel­lung von Lebens­mit­teln wie Käse, Sauer­teig­brot und Sauer­kraut genutzt. Doch wel­che Rol­le spie­len Bak­te­ri­en in der Fisch­zucht, ins­be­son­de­re in geschlos­se­nen Aqua­kul­tur­sys­te­men?

Bakterien in der Aquakultur

Bak­te­ri­en kön­nen sich nur ver­meh­ren, wenn sie Nah­rung bekom­men. Da ihre Nah­rung oft unbe­deu­ten­de Rest­stof­fe sind, fällt das wenig auf: Rest­stof­fe ver­schwin­den, dafür bleibt ein Häuf­chen Bak­te­ri­en. In der Aqua­kul­tur ver­wer­ten Bak­te­ri­en zum Bei­spiel Fut­ter­res­te. Haupt­säch­lich leben sie jedoch in und von den Aus­schei­dun­gen der Fische. Wie in der Natur „remi­ne­ra­li­sie­ren“ sie die zum Teil gif­ti­gen Aus­schei­dun­gen der Tie­re, indem sie ursprüng­lich orga­ni­sche Fut­ter­be­stand­tei­le soweit zer­le­gen, dass letzt­lich nur CO2, H2O und ver­schie­de­ne anor­ga­ni­sche Stof­fe (Phos­phat, Ammo­ni­um, Nitrat, Luft­stick­stoff) übrig­blei­ben. In unse­rem Bei­trag Nitri­fi­ka­ti­on und Deni­tri­fi­ka­ti­on haben wir die­sen Abbau­pro­zess näher erläu­tert.

 

Risiken durch Bakterien

Neben dem unver­zicht­ba­ren Bei­trag der Bak­te­ri­en zur Was­ser­rei­ni­gung erge­ben sich in geschlos­se­nen Sys­te­men aber auch Risi­ken:

  1. Wenn die Bak­te­ri­en Nah­rung erhal­ten, ver­meh­ren sie sich. Ab einer bestimm­ten Anzahl in einem Volu­men Was­ser neh­men wir sie wahr, weil sie das Was­ser trü­ben.
  2. Bei den Stoff­um­set­zun­gen ver­brau­chen Bak­te­ri­en Sauer­stoff. Auch die Fische benö­ti­gen Sauer­stoff. In bak­te­ri­en­rei­chem, trü­bem Was­ser kann es durch die­se Kon­kur­renz zu einem für die Fische töd­li­chen Sauer­stoff­man­gel kom­men. Beson­ders gefähr­det sind die Fische im Som­mer, weil sich in war­mem Was­ser nicht nur weni­ger Sauer­stoff aus der Luft löst, son­dern gleich­zei­tig der Sauer­stoff­ver­brauch und die Ver­meh­rung der Bak­te­ri­en erhöht ist.
  3. Fische hal­ten Bak­te­ri­en von sich fern, indem sie Schleim bil­den. Schleim ist eine Form von orga­ni­schem Koh­len­stoff und damit zwar prin­zi­pi­ell schlech­ter abbau­bar als ande­re orga­ni­sche Sub­stan­zen, aber es ist nur eine Fra­ge der Zahl, wann die Bak­te­ri­en es schaf­fen, die Schicht zu durch­bre­chen. Wenn sich also vie­le schleim­ab­bau­en­de Bak­te­ri­en im Was­ser befin­den, beein­träch­tigt dies den Selbst­schutz der Fische. Aggres­si­ve Bak­te­ri­en kön­nen in belas­te­tem Was­ser bis zur Haut vord­in­gen und dort Ein­tritts­stel­len für Krank­heits­er­re­ger erzeu­gen. Die Tie­re wer­den dann anfäl­li­ger für Krank­hei­ten und ihre die Abwehr­kraft gegen Patho­ge­ne und Para­si­ten sinkt.

Es gilt also zu ver­hin­dern, dass zu vie­le Bak­te­ri­en im Pro­zess­was­ser vor­han­den sind. Um dem Bak­te­ri­en­ri­si­ko vor­zu­beu­gen ist eine schnel­le Besei­ti­gung der Nähr­stoff­quel­len im Was­ser eben­so wich­tig, wie eine regel­mä­ßi­ge Abschöp­fung der Bak­te­ri­en selbst. Bei­des pas­siert mit Hil­fe von mecha­ni­schen Fil­ter­ein­hei­ten, dem Trom­mel­fil­ter und dem Abschäu­mer, wel­che sowohl gro­ße als auch klei­ne Par­ti­kel aus der Anla­ge ent­fer­nen. Dadurch wird nicht nur das Nähr­stoff­an­ge­bot für die Bak­te­ri­en, son­dern auch deren Zahl ver­knappt. Dies ver­rin­gert die Keim­be­las­tung der Fische und die Kon­kur­renz um Sauer­stoff zwi­schen Bak­te­ri­en und Fischen bleibt tech­nisch beherrsch­bar.

 

Biofilme in Kreislaufsystemen

Bak­te­ri­en orga­ni­sie­ren sich in der Natur oft in Bio­fil­men: Che­mi­sche Pro­zes­se wie die Nitri­fi­ka­ti­on und die Deni­tri­fi­ka­ti­on sind Gemein­schafts­leis­tun­gen von ver­schie­de­nen Bak­te­ri­en­ar­ten, die die­se auf engs­tem Raum, im Bio­film, erbrin­gen. Ande­re Bak­te­ri­en ver­an­lasst ein Nähr­stoff­man­gel dazu, eine extra­zel­lu­lä­re, kleb­ri­ge Matrix zu bil­den, mit der sie sich an Ober­flä­chen anhef­ten und klei­ne Par­ti­kel sowie gelös­te Nähr­stof­fe aus dem vor­bei­flie­ßen­den Was­ser ent­neh­men kön­nen. Wegen den oben beschrie­be­nen Risi­ken durch Bak­te­ri­en wird im Hal­tungs­be­cken und damit in unmit­tel­ba­rer Nähe zu den Tie­ren dar­auf geach­tet, dass die Ober­flä­chen (z.B. Becken­wän­de, Net­ze, Son­den etc.) für Bio­fil­me mög­lichst klein und für den Anla­gen­be­trei­ber gut zugäng­lich sind. Das soll dem Anla­gen­be­trei­ber erlau­ben, Bio­fil­me regel­mä­ßig abzu­wi­schen. In den ein­zel­nen Bio­fil­tern (Nitri­fi­ka­ti­on und Deni­tri­fi­ka­ti­on) dage­gen wird den Bak­te­ri­en mit Hil­fe von struk­tu­rier­ten Trä­ger­ma­te­ria­li­en („Bio­fil­ter-Pel­lets“ oder auch „bio-car­ri­er“ genannt) eine beson­ders gro­ße Ober­flä­che für die Besie­de­lung zur Ver­fü­gung gestellt. Zudem wer­den hier die Lebens­be­din­gun­gen für Bak­te­ri­en pro­zess­tech­nisch opti­miert. So wird ein Fil­ter zum Bei­spiel beson­ders gut belüf­tet, sodass die Bak­te­ri­en viel Sauer­stoff vor­fin­den und sich bevor­zugt in die­sem Fil­ter anstel­le des Beckens auf­hal­ten. Wäh­rend ihres Auf­ent­hal­tes in den Fil­tern ver­stoff­wech­seln die Bak­te­ri­en dann die Aus­schei­dun­gen der Fische, sodass die Kon­zen­tra­ti­on der Abfall­stof­fe im Becken stets nied­rig bleibt und die Fische nicht gefähr­det.

Zusam­men­ge­fasst besteht das Geheim­nis einer gesun­den Klar­was­ser-Aqua­kul­tur somit aus einer effek­ti­ven mecha­ni­schen Ent­fer­nung von Fest­stof­fen und Bak­te­ri­en sowie aus einem klei­nem Ober­flä­chen-zu-Volu­men­ver­hält­nis im Hal­tungs­be­cken. Dane­ben ist es wich­tig, die ver­schie­de­nen Bio­fil­ter in Grö­ße und Ober­flä­che aus­rei­chend aus­zu­le­gen und durch dort vor­herr­schen­de opti­mier­te Bedin­gun­gen dafür zu sor­gen, dass die Bak­te­ri­en die Rest­stof­fe effek­tiv abbau­en kön­nen.

Refe­ren­zen

— Weus­ter-Botz, D.; Chmiel, H.; Takors, R.: Bio­pro­zess­tech­nik. 4. Auf­la­ge, Sprin­ger-Ver­lag, 2018.

— Ernst, A.: MOSA1 – Mikro­bi­el­le Opti­mie­rung von Stan­dard­kom­po­nen­ten in der Aqua­kul­tur. 1: Becken­ab­tren­nun­gen: Net­ze oder Rechen?. Vor­trag zum Abschluss­be­richt, 17.09.2019.

— School­tink, H.: Mikro­bi­el­le Bio­fil­me – Gemein­sam zur Atta­cke. Phar­ma­zeu­ti­sche Zei­tung, Aus­ga­be März 2015.

—  Bild­quel­le: SEAWATER Cubes