Mikroschadstoffe, darunter Arzneimittel wie Diclofenac, künstliche Duftstoffe, Pestizide und Industriechemikalien (z. B. PFAS), stellen ein großes Umweltproblem dar. Weltweit wurden sie in Ablaufproben von Abwasser in Konzentrationen von bis zu mehreren Dutzend Mikrogramm pro Liter nachgewiesen. Während herkömmliche Kläranlagen diese Verbindungen nur unzureichend entfernen, gelten Biofilmreaktoren als vielversprechende alternative Methode. Allerdings ist bislang wenig darüber bekannt, wie und wo die einzelnen Schritte der zugrunde liegenden Biotransformation innerhalb des Biofilms stattfinden. Doktorandin Min Qiu aus der Gruppe von Prof. Nicole Strittmatter, Professorin für Analytische Chemie im Department Bioscience der TUM, hat in Zusammenarbeit mit Prof. Kai Bester und seiner Gruppe von der Aarhus University erstmals eine räumlich‑zeitliche Analyse des Mikroschadstoffabbaus in Biofilmen mittels Massenspektrometrie‑Bildgebung (MSI) durchgeführt. 

Die Biofilme entstehen, wenn Polypropylen‑Träger mit heterogenen bakteriellen Gemeinschaften aus dem Abwasser konventioneller Belebtschlammreaktoren inkubiert werden. Die Bakterien heften sich an die Träger, interagieren miteinander und bilden eine schützende, schleimige Schicht (extrazelluläre polymere Substanz, EPS). Innerhalb dieses Biofilms erzeugen Nährstoff‑ und Sauerstoffgradienten spezifische Mikrohabitate, die vermutlich zu unterschiedlichen mikrobiellen Zusammensetzungen führen. Die Hypothese der Studie ist es, dass diese lokalen Unterschiede zu variierenden Effizienzen der (bio‑)chemischen Reaktionen führen, die für den Abbau von Mikroschadstoffen notwendig sind. Für die Experimente wurden hyperbolische Paraboloid‑Träger („Pringle‑Formen“) verwendet, um Biofilme zu erzeugen. Nach der Etablierung wurden die Biofilme über verschiedene Zeiträume mit Mikroschadstoffen inkubiert. Anschließend wurden sowohl die Biofilme als auch das Überstandswasser (Bulk‑Wasser) auf Mikroschadstoffe und deren Metaboliten analysiert. 

Die Analyse der Ergebnisse zeigte, dass unterschiedliche metabolische Reaktionen (Abbauschritte) an verschiedenen Orten stattfinden und nicht gleichmäßig über die Biomasse verteilt sind. Mikrobielle Nischen oder Mikrokolonien sind demnach für bestimmte Reaktionen oder Reaktionsgruppen verantwortlich. Weitere Arbeiten sind notwendig, um die Ökologie der jeweiligen Kolonien innerhalb des Biofilms besser zu verstehen und idealerweise die beteiligten Bakterienstämme zu identifizieren. Die Studie ermöglichte erstmals eine räumlich aufgelöste Messung der Biofilmproduktivität. Dies eröffnet neue Alternativen für zukünftiges Biofilm‑Engineering durch kontrollierte Biofilmzusammensetzungen oder ‑architekturen und bietet einen wichtigen Ansatzpunkt, um die Leistungsfähigkeit von Biofilmen zu verbessern und Mikroschadstoffe in unserem Abwasser effizienter abzubauen. 

Publikation 

Qiu, M., Larsson, Y., McKenzie, J., Strittmatter, N., et al. Mass spectrometry imaging reveals different allocation of the starting steps of benzalkonium biotransformation in wastewater biofilms. Commun Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00731-3 

Weitere Informationen und Links 

• Prof. Nicole Strittmatter, Professorin für Analytische Chemie
• Prof. Kai Bester, Aarhus University
• Exzellenzcluster Biosystem-Design München (BioSysteM) (in Englisch), gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

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