Das Nitratabbauvermögen wird im Wesentlichen durch Sulfide, wie Pyrit und organischen Kohlenstoff begrenzt. Beim Nitratabbau dürfen jedoch wichtige Umwelteinflussfaktoren nicht außer Acht gelassen werden. Diese Umweltfaktoren und Eigenschaften der Grundwasserleiter haben einen entscheidenden Einfluss auf die Effektivität des Nitratabbaus.

Zu diesen Umwelteinflussfaktoren gehören z.B. die Temperatur, pH-Wert und Salinität. Vorausgehende Studien haben gezeigt, dass diese Faktoren den Nitratabbau fördern oder hemmen können und es somit unterschiedliche optimale Bedingungen gibt. Trotz gleicher Menge an Reduktionsmittel (z.B. Sulfide oder organischer Kohlenstoff) kann der Nitratabbau daher unterschiedlich ablaufen.

In dieser Studie wurde der Einfluss der Porosität auf den Nitratabbau untersucht. Dafür wurden in Kreislaufsäulenversuchen Sedimente verschiedener Korngrößen verwendet (Grobschluff, Feinsand, Mittelsand, Grobsand und Feinkies) welches in unterschiedlichen Porositäten resultiert. Die weiteren Versuchsbedingungen waren vollständig identisch. Die Gehalte an Sulfiden und organischem Kohlenstoff liegen unter der Nachweisgrenze und es ist kein Nitratabbau durch diese Reduktionsmittel zu beobachten. Um auch mikrobiologisch gleiche Startbedingungen zu erhalten, wurde das Sediment vor Versuchsbeginn bei 200 °C im Trockenschrank sterilisiert. Die Säulenversuchen wurden mit natürlichem Grundwasser durchgeführt, welches eine hohe Eisen-II-Konzentration (bis zu 5 mg*L^-1) aufwies und dem Nitrat vor Versuchsbeginn in einer Zielkonzentration von 200 mg*L^-1 zugegeben wurde. In allen verwendeten Sedimenten ist ein Nitratabbau zu beobachten, welcher sich auch nach wiederholter Nitratzugabe weiter fortsetzt. Dieser Abbau erfolgt somit ohne eine Nitratabbaukapazität des Sedimentes aus Sulfiden oder organischem Kohlenstoff, welche ebenfalls nicht als externe Elektronendonatoren hinzugegeben werden. Es fällt auf, dass Nitrit mit Konzentration von > 100 mg*L^-1 während des Abbaus die dominante Stickstoffspezies ist. Bisherige Daten deuten darauf hin, dass der Nitratabbau durch Eisen-Ammox (Kappler et al., 2021) erfolgt, bei dem ausgefälltes Ferryhydrit (FeOOH) durch gebildetes Ammonium direkt wieder zu Fe²⁺ umgesetzt wird und somit erneut als Reduktionsmittel vorliegt. Hohe Konzentrationen von Nitrit sind eine weitere Folge dieser Reaktion. Durch diesen Prozess kann ebenfalls Ammonium entstehen. Weitere umfangreiche Sedimentanalyse (XRF, XRD, REM) vor und nach den Säulenversuchen werden zusätzliche Erkenntnisse über den ablaufenden Prozess liefern und eine Auswertung zwischen den einzelnen Korngrößen und Porositäten ermöglichen. Dazu gehört ebenfalls eine DNA-Sequenzierung der Mikrobiologie, um herauszufinden welche Mikroorganismen den Prozess katalysieren.

Kappler, A., Bryce, C., Mansor, M., Lueder, U., Byrne, J.M., Swanner, E.D., An evolving view on biogeochemical cycling of iron. Nat Rev Microbiol 19, 360–374 (2021). https://doi.org/10.1038/s41579-020-00502-7