Bakterien

(bacteria) Einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern, die sich durch Teilung vermehren. Bakterien werden in viele verschiedene Gattungen und Familien eingeteilt. Sie können Krankheitserreger beim Menschen sein, sind aber wichtig für eine gesunde Darmflora und damit unentbehrlich für den Menschen (z.B. das Darmbakterium E. coli). In der Abwasserbehandlung sind sie u.a. nützlich für den Abbau von Chemikalien beim Belebungsverfahren sein.

Bakterien werden ihrer Form nach unterschieden in Kokken, Stäbchen und Spirillen. Bakterien haben einen Durchmesser von oft nur 0,5 µm und eine Länge von meist weniger als 5 µm. Manche Arten kommen nur als einzelne Zelle vor, andere wachsen im Verbund, beispielsweise als Kette (Filament) oder als Kugelhaufen (z. B. Staphylokokken). Viele der Arten sind beweglich, indem sie sich mit Hilfe von Geißeln schwimmend fortbewegen, oder indem sie auf festen Oberflächen gleiten. Manche Arten können Dauerformen (Sporen) bilden und auf diese Weise lange Zeiträume überstehen, auch wenn die Lebensbedingungen ungünstig sind.

Bakterien spielen bei der biologischen Behandlung von Wasser, Abwasser, Klärschlamm und festen Abfall eine herausragende Rolle. Sie führen vielfältige Stoffumwandlungsreaktionen durch. Als Produkt können Wertstoffe (z.B. Methangas) entstehen, Biomasse (z.B. Klärschlamm), organische Verbindungen (z.B. Essigsäure) sowie Mineralstoffe (z.B. CO2, N2, H2O). Jede Bakterienart hat spezielle Stoffwechselfähigkeiten, die genutzt werden können, aber auch Milieuansprüche, die befriedigt werden müssen, um die spezifischen Fähigkeiten auszunutzen.

Zu den wichtigsten Bestandteilen einer Bakterienzelle gehören die Erbsubstanz (DNS und Plasmide), die Ribosome als Ort der Enzymsynthese, die Zellmembran als Ort der Energiegewinnung und des Transports von Stoffen in die Zelle und aus ihr heraus, die Zellwand, durch die die Zelle ihre Form erhält, sowie die extrazellulären polymeren Substanzen (EPS), die sich oft um die Zelle bildet und am Abbauprozess beteiligt ist.

Die Stoffwechselprozesse, die in der Zelle ablaufen, sind das Ergebnis der Wirkung einer Vielzahl von enzymkatalysierten Reaktionen.

Die in der Zelle ablaufenden Reaktionssequenzen lassen sich modellhaft in die vier miteinander vernetzten Funktionsbereiche unterteilen:

  • Abbau
  • Synthese
  • Energiegewinnung
  • Speicherbewirtschaftung 

Systematische Einteilung der Organismen nach Art der Energiegewinnung und der verwendeten Eingangsstoffe:

Art der Energiegewinnung Bezeichnung Beispiel 
Redox-Reaktionen chemotroph chemotrophe Bakterien
Licht phototroph Algen

 

Art der verwendeten Baustoffe Bezeichnung Beispiel 
organische Substanzen heterotroph TOC-Abbauer
CO2 autotroph Nitrifikanten

 

Art der verwendeten Elektronen-Donatoren  Bezeichnung Beispiel 
organische Substanzen organotroph TOC-Abbauer
anorganische Substanzen, z.B. NH4+, NO2- lithotroph Nitrifikanten

 

Art der verwendeten Elektronen-Akzeptoren Bezeichnung Beispiel 
gelöster Sauerstoff aerob TOC-Abbauer, Nitrifikanten
Nitrat  anoxisch Denitrifikanten
organische Substanzen  anaerob Methangas-
Produzenten

 

Für die Aufgaben der Wasserwirtschaft und Abfallwirtschaft sind chemo-organo-heterotrophe (coh)-Bakterien besonders wichtig. Aerobe coh-Bakterien werden bei der biologischen Abwasserreinigung benötigt, um gelöste organische Verbindungen aus dem Abwasser zu entfernen. Anaerobe coh-Bakterien werden zur Gewinnung von Methangas aus Klärschlamm genutzt. Für die Umwandlung von Nitratstickstoff in atmosphärischen Stickstoff (Denitrifikation) werden coh-Bakterien eingesetzt, die statt Sauerstoff Nitrat als terminalen Elektronenakzeptor verwenden können. Man bezeichnet diese Organismen anoxische Bakterien. Unter den chemo-litho-autotrophen (cla)-Bakterien sind die Nitrifikanten besonders wichtig für die Abwasserreinigung. Sie wandeln Ammonium über Nitrit in Nitrat um. Ammonium und Nitrit wirken dabei als Elektronendonatoren. Da Sauerstoff als Elektronenakzeptor gebraucht wird, gehören die Nitrifikanten zu den aeroben cla-Bakterien. 

Bakterien bestehen – gemessen am Trockengewicht – zu ca. 70 bis 85 % aus Wasser und zu ca. 50 % aus Proteinen. Die Zellwand macht 10 bis 20 % aus, die DNS 3 bis 4 %, die RNS 10 bis 20 %. Dazu kommen Lipide und andere Substanzen mit ca. 10 %.

Für die atomare Zusammensetzung der Bakterienzelle sind die folgenden Trockensubstanzanteile typisch: 

Dazu kommen eine Vielzahl von Spurenstoffen. 

Die chemische Zusammensetzung von Bakterienzellen kann näherungsweise mit folgender Summenformel beschrieben werden: C250H611O77N55P6S. Das rechnerische Molekulargewicht dieses Substanzgemischs beträgt 5.831 g mol-1.

Ausgehend von der typischen Zusammensetzung von häuslichem Abwasser lässt sich eine entsprechende Summenformel konstruieren, in der allerdings nur die von coh-Bakterien verwertbaren Stoffkomponenten berücksichtigt sind. Das zugehörige Molekulargewicht beträgt 18.931 g mol-1

Mit Hilfe derartiger Summenformeln lassen sich die Umwandlungen, die im Rahmen des Zellstoffwechsels eintreten, stöchiometrisch beschreiben. 

Quelle: [Skriptum zur Vorlesung Wassergütewirtschaft TU München]

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