Anaerobe Nischen in aeroben industriellen Wassersystemen

Lokalisierte Lochfraßkorrosion unter Ablagerungen, dunkel verfärbte Korrosionsprodukte und der Geruch nach faulen Eiern sind wiederkehrende Befunde in Kühlkreisläufen, die nahe der Sauerstoffsättigung betrieben werden und bei routinemäßigen Wasseranalysen keine Hinweise auf anaerobe Organismen liefern. Die Diskrepanz liegt eher in der Messung als im System selbst. Der in der strömenden Hauptphase bestimmte gelöste Sauerstoff charakterisiert ausschließlich die strömende Hauptphase und liefert keine Informationen über die Bedingungen innerhalb einer Ablagerungsschicht, in einer Schweißnahtspalte oder am Ende eines Abschnitts mit geringem Durchfluss. Dabei handelt es sich um eigenständige Mikroumgebungen mit einer eigenen Chemie, in denen sich anaerobe Mikroorganismen regelmäßig ansiedeln.

Einschränkungen des Sauerstofftransports in Biofilmen und Ablagerungen

Sauerstoff gelangt durch Diffusion in einen Biofilm und wird von der aeroben Mikrobenpopulation in den äußeren Schichten verbraucht. Wenn der Verbrauch die Zufuhrrate übersteigt, nimmt die Konzentration mit zunehmender Tiefe stark ab und erreicht an einer definierten Grenze den Wert Null. In einem aktiv atmenden Biofilm befindet sich diese Grenze üblicherweise innerhalb der ersten 100 bis 200 Mikrometer von der Oberfläche.

Der Bereich unterhalb dieser Grenze bietet alle Bedingungen, die für den anaeroben Stoffwechsel erforderlich sind. Der Sauerstoff wurde bereits von der darüber liegenden aeroben Population verbraucht, Fermentationsprodukte aus den oberen Schichten dienen als Elektronendonatoren, Sulfat ist in den meisten Industrieabwässern in ausreichender Konzentration vorhanden, und Mineralablagerungen oder Korrosionsprodukte bilden eine zusätzliche Diffusionsbarriere. Das Ergebnis ist ein stabiler anaerober Lebensraum, der innerhalb eines mit Sauerstoff angereicherten Systems durch die aeroben Organismen selbst aufrechterhalten wird.

Das gleiche Transportprinzip gilt für eine Vielzahl an Formen: Schweißnähte, Dichtungsspalten, der Zwischenraum unter abgelagerten Partikeln und Toträume ohne messbare Strömung bilden jeweils eine ökologische Nische, die eher durch eingeschränkten Stoffaustausch als durch die Volumeneigenschaften des Kreislaufs definiert ist.

Mikrobielle Matten sind ein gutes Beispiel aus der Umwelt für die unterschiedlichen Redoxzonen innerhalb von Biofilmen. Während die äußeren Bereiche mit der Umgebungsluft in Kontakt stehen oder sogar Organismen beherbergen, die selbst Sauerstoff produzieren, sind die inneren Bereiche oder der untere Bereich anaerob, da die oberen Schichten den Sauerstoff verbrauchen oder Mikroben wie Sulfatreduzierer das Redoxpotenzial des Biofilms durch die Produktion von Schwefelwasserstoff weiter senken.

Sauerstofftoleranzklassen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft

Der Begriff „anaerob“ umfasst Organismen mit erheblich unterschiedlichen physiologischen Beziehungen zu Sauerstoff, und diese Unterscheidung ist für die Interpretation der Analyseergebnisse von Bedeutung.

• Obligat anaerobe Organismen wachsen in Gegenwart von Sauerstoff nicht, und viele werden durch den Kontakt mit Sauerstoff inaktiviert (z. B. viele Methanogene). Reaktive Sauerstoffspezies reichern sich intrazellulär an, und die enzymatischen Entgiftungssysteme, über die aerobe Organismen verfügen, sind unvollständig oder fehlen gänzlich. Bestimmte sulfatreduzierende Bakterien, darunter Stämme von Desulfovibrio, vertragen eine begrenzte Sauerstoffexposition und sind in der Lage, Sauerstoff zu reduzieren, ohne daraus Wachstum zu beziehen, was zu ihrem Vorkommen in Umgebungen beiträgt, die scheinbar nicht ausreichend reduziert sind.

• Fakultative Anaerobier wechseln zwischen verschiedenen Stoffwechselmodi: Sie atmen Sauerstoff, sofern dieser verfügbar ist, und wechseln zu Nitratatmung oder Fermentation, wenn dies nicht der Fall ist. Viele Enterobakterien fallen in diese Kategorie. Diese Organismen besiedeln häufig zunächst Oberflächen, verbrauchen dort den lokalen Sauerstoffvorrat und schaffen dadurch die Bedingungen, die anschließend von obligat-anaeroben Organismen genutzt werden.

• Mikroaerophile Organismen benötigen Sauerstoff in Konzentrationen, die deutlich unter dem atmosphärischen Niveau liegen – typischerweise im niedrigen einstelligen Prozentbereich – und werden oberhalb dieser Schwelle gehemmt. Sie besiedeln eher die Übergangszone des Gradienten als eines der beiden Extreme.

In etablierten Gemeinschaften in industriellen Wassersystemen sind in der Regel alle drei Gruppen in einer funktionalen Wechselbeziehung zueinander vertreten. Die Charakterisierung eines Systems anhand der sauerstoffreichen Bereiche liefert daher nur begrenzte Erkenntnisse über dessen Korrosionsrisiko.

Endosporenbildung und ruhende Populationen

Mehrere für die industrielle Korrosion relevante Gattungen bilden Endosporen, darunter Clostridium sowie die sulfatreduzierenden Gattungen Desulfotomaculum und Desulfosporosinus. Endosporen sind metabolisch inaktiv und resistent gegen Sauerstoff, Austrocknung, erhöhte Temperaturen und die meisten bioziden Wirkstoffe; sie bleiben über längere Zeiträume lebensfähig, solange keine Bedingungen vorliegen, die ein vegetatives Wachstum begünstigen würden. 

Dies hat direkte Konsequenzen für die Risikobewertung. Die Einschleppung von Sporen über Zusatzwasser, Werkstücke oder frische Flüssigkeitschargen erfordert keine günstigen Bedingungen – nur die Keimung benötigt diese. Ein System kann daher eine ruhende anaerobe Population durch wiederholte Reinigungszyklen und kontinuierliche Belüftung transportieren und innerhalb weniger Wochen nach Ablagerungsbildung oder einem längeren Stillstand eine aktive sulfatreduzierende Gemeinschaft entwickeln. Biozidmaßnahmen, die auf vegetative Zellen in der Wasserphase ausgelegt sind, berücksichtigen weder die Resistenz der Sporen noch deren Lage innerhalb einer schützenden Ablagerung.

Zellen von Romboutsia sp. mit ovalen Endosporen.

Nischenbildung in Kühlkreisläufen und Flüssigkeiten in metallverarbeitenden Betrieben

In offenen Umwälzkühlsystemen sammeln sich Kalkablagerungen, Korrosionsprodukte und abgesetzte Feststoffe an, die jeweils zu der oben beschriebenen Diffusionsbarriere beitragen. Abschnitte mit geringem Durchfluss, Becken und Schlammschichten in Sammelbehältern verstärken diesen Effekt, und saisonale Stilllegungen unterbrechen die strömungsabhängige Sauerstoffzufuhr vollständig. 

Metallbearbeitungs- und Schneidflüssigkeitssysteme weisen unter anderen Betriebsbedingungen eine vergleichbare Situation auf. Die Flüssigkeit wird durch den Bearbeitungsprozess belüftet, doch der Vorratsbehälter enthält Ruhezonen, schwimmendes Fremdöl schränkt den Gasaustausch an der Oberfläche ein, und Spänebetten halten organisches Material am Boden zurück. Die sulfatreduzierende Aktivität in diesen Systemen erzeugt Schwefelwasserstoff, der für den für Flüssigkeitsbehälter nach längerem Stillstand charakteristischen schwefelartigen Geruch verantwortlich ist und zur Korrosion von Tanks, Rohrleitungen und bearbeiteten Bauteilen beiträgt.

In beiden Anwendungsfällen handelt es sich bei dem Schadensmechanismus um mikrobiologisch beeinflusste Korrosion, die durch Organismen verursacht wird, die in der zirkulierenden Flüssigkeit nicht in Konzentrationen vorhanden sind, die für eine routinemäßige Nachweisbarkeit ausreichen.

Einschränkungen bei der Probenahme und Analyse der Wasserphase

Der Großteil der mikrobiellen Biomasse in einem wasserführenden System ist an Oberflächen gebunden und nicht freischwimmend in der Flüssigphase. Bei der Wasserprobenahme wird daher lediglich der mobile Anteil der mikrobiellen Gemeinschaft erfasst, während der sessile Anteil, der für lokale Korrosion verantwortlich ist, systematisch unterrepräsentiert wird.

Die Handhabung stellt eine zweite Verlustquelle dar. Obligat anaerobe Organismen, die aus einer anoxischen Ablagerung gewonnen und unter atmosphärischen Bedingungen überführt wurden, verlieren vor der Analyse ihre Lebensfähigkeit, was bei kultivierungsbasierten Methoden zu niedrigen oder negativen Ergebnissen führt. Molekulare Methoden werden von der Lebensfähigkeit nicht beeinflusst, unterliegen jedoch weiterhin der Einschränkung durch die Probenahme: Bei der Sequenzierung von Material aus der Wasserphase können keine Organismen nachgewiesen werden, die nie in die Probe überführt wurden. Ein unter diesen Bedingungen erzieltes negatives Ergebnis sagt eher etwas über die Probe als über das System aus.

Proben aus der oberirdischen Gasspeicherinfrastruktur. Unter anaeroben Bedingungen lassen Eisensulfid und andere Metallsulfide die Probe schwarz erscheinen, während sauerstoffreiche Bedingungen zur Oxidation der Probe führen und ihr eine charakteristische rostrote, orange Farbe verleihen.

Anforderungen an eine repräsentative Probenahme

Der zuverlässige Nachweis anaerober Populationen in belüfteten Systemen erfordert die Probenahme aus den Phasen, in denen sie vorkommen, sowie die Aufrechterhaltung der Bedingungen, unter denen sie lebensfähig bleiben. Dazu gehören feste Stoffe und nicht nur Wasser, insbesondere Ablagerungen, Kalk, Schlamm, Biofilm-Abkratzungen, Filterrückstände und Couponoberflächen. Bei der Entnahme und dem Transport sollte atmosphärischer Sauerstoff ausgeschlossen werden, und wenn der Druck vor Ort Teil der Umgebung ist, gewährleistet eine Hochdruckprobenahme, dass die Probe unter repräsentativen Bedingungen erhalten bleibt. Durch die Kombination von molekularer Analyse mit Kultivierung unter kontrollierten anaeroben Bedingungen lassen sich dann die vorhandenen Organismen von den metabolisch aktiven unterscheiden. 

Anaerobe Mikroorganismen sind aus der mit Sauerstoff angereicherten Hauptphase eines industriellen Wassersystems ausgeschlossen, nicht jedoch aus dem System selbst. Untersuchungsprogramme, bei denen ausschließlich die Hauptphase beprobt wird, spiegeln diesen Ausschluss in ihren Ergebnissen wider, unabhängig von den Bedingungen, die an der korrodierenden Oberfläche herrschen.