Im Sommer 2022 wurden Proben von Grundwasserbrunnen des Wasserwerks Mörscher Wald in der Nähe von Karlsruhe genommen. Diese Proben sollen sowohl metagenomisch untersucht als auch für die Kultivierung eingesetzt werden.
Probenahme im Wasserwerk Mörscher Wald
Die Stadtwerke Karlsruhe versorgen fast eine halbe Million Menschen in der Stadt Karlsruhe und Umgebung. Um die Versorgung mit Trinkwasser auch in Zeiten des Klimawandels sicherzustellen, wurde im Mörscher Wald südlich der Stadt ein neues Wasserwerk gebaut und 2022 in Betrieb genommen.
Die Brunnen, aus welchen das Grundwasser für die Trinkwasseraufbereitung gewonnen wird, liegen in einem das Wasserwerk umgebenden, ausgedehnten Waldgebiet. Die beprobten Brunnen sind unterschiedlich tief und weisen unterschiedliche Gehalte von verschiedenen Spurenelementen auf. Für die im Rahmen des MultiKulti-Projekts angestrebte Kultivierung von Manganoxidierenden Bakterien ist dabei die unterschiedliche Konzentration von Mangan besonders relevant.
Da Mangan im Trinkwasser einen Grenzwert von 0,05 mg/L nicht überschreiten darf, werden die Grundwässer durch Filtration aufbereitet. Auch von diesen Filtermaterialien konnten der Projektgruppe am Technologiezentrum Wasser (TZW Karlsruhe) Proben zur Verfügung gestellt werden. Nach der Aufbereitung weist das Karlsruher Trinkwasser einen Mangangehalt von weniger als 0,005 mg/L auf.
Um die Brunnen zu beproben, stiegen unsere Mitarbeiterinnen, ausgestattet mit der entsprechenden Sicherheitsausrüstung, in die sogenannten Brunnenstuben ab. Diese befinden sich am oberen Ende des Brunnenrohrs, in dem sich die Pumpe zur Förderung des Grundwassers befindet. An den Probenahmehähnen konnte das Grundwasser direkt entnommen werden und wurde auch gleich vor Ort angereichert, d.h. die enthaltenen Mikroorganismen wurden durch Filtration stark aufkonzentriert. Aus den Anreicherungen wurde später in den Laboren des TZW Karlsruhe DNA in hohen Konzentrationen extrahiert und für die Erstellung von Metagenomen verwendet. Die Metagenome können dann Auskunft darüber geben, welche Mikroorganismen im Grundwasser vorhanden sind und welche Stoffwechseleigenschaften sie besitzen könnten.
Vielen Dank an die Stadtwerke Karlsruhe für das Ermöglichen der Probennahme im Wasserwerk.
Kultivierung von Manganoxidierenden Bakterien
Das Grundwasser wurde zudem in der Kultivierung eingesetzt. Dabei ist es ein Ziel des Projekts MultiKulti aus Grundwasser und Filtermaterial Manganoxiderende Bakterien zu kultivieren, einzelne Stämme zu isolieren und zu charakterisieren.
Da im Grundwasser sehr nährstoffarme („oligotrophe“) Bedingungen herrschen, wurden für die Kultivierung Medien mit geringem Nährstoffgehalt, aber hohem Mangangehalt eingesetzt. Teilweise enthielten diese Medien keine organischen Kohlenstoff-Verbindungen, sodass die darauf wachsenden Mikroorganismen den Kohlenstoff aus anorganischen Komponenten wie CO₂ gewinnen müssen und somit autotroph wachsen. Dass Manganoxidierende Bakterien autotroph sein können, zeigten Yu und Leadbetter (2020).
Da die Zielorganismen sehr langsam wachsen, ist Geduld gefragt. Manche Kolonien der Manganoxidierenden Bakterien zeigen sich erst nach acht Monaten auf den Nährböden. Ob es sich um Manganoxidierende Organismen handelt, lässt sich mit Hilfe des sogenannten LBB-Tests feststellen. Bei Vorliegen von Manganoxiden schlägt das Reagenz zu einem leuchtenden Blau um (s. Bild oben, s.a. Jones et.al. 2019). Anschließend können diese Kolonien durch Ausstrich auf einer neuen Agarplatte vermehrt und der koloniebildende Organismus dadurch isoliert werden. Am TZW Karlsruhe werden die so gewonnenen Isolate dann anhand ihres Massenspektrums im MALDI-TOF sowie durch den Abgleich ihrer 16S rRNA-Gene mit Datenbanken identifiziert.
Aus den Grundwässern und Filtermaterialien des Mörscher Waldes konnten seit August bereits erste Manganoxidierende Bakterien vermehrt werden, deren Identifikation und Charakterisierung aber noch aussteht.