DE10045787C1 - Verfahren zur in situ-Biodegradation von Chlorkohlenwasserstoffen in Böden und Wässern - Google Patents

Verfahren zur in situ-Biodegradation von Chlorkohlenwasserstoffen in Böden und Wässern

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biodegradation von aliphatischen und aromatischen Chlorkohlenwasserstoffen in Böden oder Wässer durch methanotrophe Mikroorganismen, die lösliche Methan-Monooxygenase (sMMO) bilden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Schadensstandort Biomasse oder Kulturflüssigkeit, die durch Kultivierung von sMMO-positiven Mikroorganismen der Gattung Methylocystis erhalten wird, eingebracht und gleichmäßig verteilt wird und während der Biodegradation, die bei einer Mindesttemperatur von 12 DEG C und einem pH-Wert von 6,5-7,5 durchgeführt wird, Nährmedium und ein Luft/Methan-Gemisch kontinuierlich zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biodegradation von aliphatischen und aromatischen Chlorkohlenwasserstoffen in Böden oder Wässern durch methanotrophe Mikroorganismen, die lösliche Methan-Monooxygenase (sMMO) bilden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Schadensstandort Biomasse oder Kulturflüssigkeit, die durch Kultivierung von sMMO- positiven Mikroorganismen des Stammes Methylocystis sp. GB14, Hinterlegungsnummer DSM 12955, erhalten wird, eingebracht und gleichmäßig verteilt wird und während der Biodegradation, die bei einer Mindesttemperatur von 12°C und einem pH-Wert von 6,5-7,5 durchgeführt wird, Nährmedium und ein Luft/Methan-Gemisch kontinuierlich zugeführt werden.
Verfahren zur Biodegration von Chlorkohlenwasserstoffen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise US 5 364 048 (DE 693 27 228 T2) ein Verfahren zur Verbesserung des Abbaus von chlorierten Kohlenwasserstoffen im Boden, welches autochthone, methanotrophe Mikroorganismen eines Schadensstandortes ausnutzt. Die Mikroorganismen werden mit Nährstoffen einschließlich Methan und mit Sauerstoff versorgt, so dass sie wachsen und sich vermehren. Dann wird die Nährstoffzufuhr gestoppt. In dieser Stresssituation bauen die Mikroorganismen Verunreinigungen unter aeroben Bedingungen, ab. Diese Verfahrensweise wird wiederholt, bis die Verunreinigungen auf einen vorgewählten Wert abgebaut sind. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Abbauraten nicht befriedigend sind und der Abbau sehr lange dauert.
US 5 487 834 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von oberflächennahem Grundwasser, bei dem ruhende methanotrophe Mikroorganismen, die lösliche Methan-Monooxygenase (sMMO) als degradationsfähiges Enzym bilden, eingesetzt werden. Die Mikroorganismen werden, unter Bedingungen kultiviert, die die Menge und die intrazelluläre Langlebigkeit des Enzyms erhöhen sollen. Diese Mikroorganismen werden in den Boden eingebracht, um als Biofilter zu wirken, der mit dem zu reinigenden Grundwasser kontaktiert wird. Auch dieses Verfahren liefert keine befriedigenden Abbauraten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb ein, in situ-Verfahren zur Biodegradation aliphatischer und aromatischer Chlorkohlenwasserstoffe zur Verfügung zu stellen, dass höhere Abbauraten gewährleistet als die Verfahren des Standes der Technik. Auch soll das Verfahren in einem größeren Temperaturintervall arbeiten, insbesondere bei Temperaturen unterhalb 20°C.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst, indem in den Schadensstandort Biomasse oder Kulturflüssigkeit, die durch Kultivierung von sMMO-positiven Mikroorganismen des Stammes Methylocystis sp. GB14, Hinterlegungsnummer DSM 12955, erhalten wird, eingebracht und gleichmäßig verteilt wird und während der Biodegradation, die bei einer Mindesttemperatur von 12°C und einem pH-Wert von 6,5-7,5 durchgeführt wird, Nährmedium und ein Luft/Methan-Gemisch kontinuierlich zugeführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das den sMMO-positive Mikroorganismen-Stamm Methylocystis sp. GB14 nutzt und während der Biodegradation eine kontinuierliche Zuführung eines Luft/Methan-Gemisches vorsieht, überraschend hohe Abbauraten erzielt werden. So liegen beispielsweise die Abbauraten von Trichlorethen (TCE) erfindungsgemäß 2,5 bis 3 mal höher als mit denn Verfahren gemäß US 5 487 834, und es ist bereits nach 24 Stunden nahezu 85% des TCE degradiert. Auch ist es möglich, mit den erfindungsgemäßen Mikroorganismen bei Temperaturen unterhalb 20°C zu arbeiten und trotzdem die genannten Abbauraten zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird Biomasse oder Kulturflüssigkeit eingesetzt, die durch Kultivierung des Stammes Methylocystis sp. GB 14 erhalten wird, der am 23.07.1999 bei der internationalen Hinterlegungsstelle DSMZ in Braunschweig (Deutschland) unter der Hinterlegungsnummer DSM 12955 hinterlegt wurde.
Das Luft/Methan-Gemisch, welches während der Biodegradation kontinuierlich dem Schadensstandort zugeführt wird, kann als Gas zugeführt werden. Es ist allerdings auch möglich, die einzusetzende Nährlösung, die ohnehin zugeführt werden muss, mit diesem Luft/Methan-Gemisch zu sättigen. Das Luft/Methan-Gemisch enthält von 1,5-4,5 Vol.% Methan, vorzugsweise von 2-4 Vol. %.
Die für die Biodegradation einzusetzende Biomasse des verwendeten Stammes wird in einem diskontinuierlichen Verfahren der Zellanzucht mit periodischer Verdünnung kultiviert. Die Kultivierung erfolgt mit einem kupferfreien Nährsalzmedium, welches als Stickstoffquelle Nitrat und alle für das Wachstum essentiellen Nährsalze enthält. Die Biodegradation im Schadensstandort wird mit dem gleichen Nährmedium durchgeführt.
Als Nährmedium kann beispielsweise das in US 5 487 834 beschriebene, modifizierte Higgins Minimal-Nitratsalz- Medium eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt wird jedoch das salzärmere Medium folgender Zusammensetzung (pro Liter Aqua dest.):
H3PO4 (80%ig) 0,028 ml
KH2PO4 35 mg
MgSO4.7H2O 25 mg
MnSO4.H2O 1,389 mg
FeSO4.7H2O 1,678 mg
ZnCl2 0,322 mg
CoSO4.7H2O 0,036 mg
NiSO4.7H2O 0,109 mg
Al2(SO4)3.18H2O 0,186 mg
Ca(NO3)2.4H2O 0,883 mg
Na2MoO4.2H2O 0,041 mg
H3BO3 1,286 mg
CrCl3.6H2O 0,077 mg
Diese Nährlösung gewährleistet ein Wachstum von 1 g/l Biomassetrockensubstanz. Bei gewünschten höheren Biomassekonzentrationen ist entsprechend höher zu bilanzieren.
Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Herstellung von Biomasse durch Kultivierung des Stammes Methylocystis sp. GB 14
Es wird Biomasse des Stammes Methylocystis sp. GB 14 - DSM 12955 in einem diskontinuierlichen Verfahren der Zellanzucht mit periodischer Verdünnung hergestellt. Die gesamte Kultivierung erfolgt in einem kupferfreien Nitratsalzmedium der in der Beschreibung genannten Zusammensetzung.
Die Kultivierungstemperatur betrug 20°C oder 30°C, der pH 6,7. Das Inokulum für die Bioreaktoren wurde in Schüttelkolben (Inhalt 1 l) mit einem Arbeitsvolumen von 100 ml und einer Atmosphäre von 30 Vol% Methan in Luft angezogen. Die Bioreaktoren (Arbeitsvolumen 300 ml) wurden während der lag-Phase mit einem Gasgemisch von 50 Vol% Methan in Luft und später mit 20 Vol% Methan in Luft begast. Die so erzeugte Biomasse wurde zu zwei Drittel geerntet, wenn die sMMO-Aktivitat < 60 nmol/mg h betrug. Die Bioreaktoren wurden dann mit frischem Medium aufgefüllt, so dass falls notwendig ständig degradationsaktive Biomasse zur Verfügung stand.
Beispiel 2 Biodegradation von TCE
Der Abbau von Trichlorethen (TCE) erfolgte in einer Bodensäule. Die Säule war mit 7 kg feinem Kiesmaterial einer Körnung < 7 mm gefüllt. Die Einbringung der gemäß Beispiel 1 vorkultivierten Biomasse erfolgte in der Bodensäule über ein Lanzensystem. Die Lanzenanordnung ermöglicht die gleichmäßige Verteilung der Biomasse im Bodenkörper, womit eine schnellere Degradation des TCE verbunden ist. Die Bodensäule wurde mit 200 ml Biomassesuspension einer Konzentration von 1 g/l beimpft. Während der Sanierung wurde die Temperatur zwischen 14 und 17°C und der pH-Wert auf 7,0 eingestellt.
In die Bodensäule wurden 745 mg TCE injiziert. Das TCE war erst nach einem Tag gleichmäßig verteilt und konnte in der Flüssigphase der Bodensäule nachgewiesen werden. Die Flüssigphase wurde mit einer Geschwindigkeit von 1,5 l/h im Kreislauf geführt. Begast wurde direkt von unten durch den Bodenkörper mit einem 2,5 Vol%igem Methan-Luft-Gemisch. Die Begasungsrate betrug 5 l/h. Bereits nach 24 Stunden waren nahezu 85% des TCE degradiert, nach 3 Stunden war in der Flüssigphase kein TCE mehr nachweisbar. Mit der Abluft wurden insgesamt nur 4,23% des TCE ausgestrippt.
Beispiel 3 Biodegradation von Chlorbenzol
Der methanotrophe Stamm Methylocystis sp. GB 14 - DSM 12955 wurde in einem 5 l-Fermentor bei T = 30°C, pH = 6,8, Begasung 30% Methan/70% Luft kontinuierlich bei einer Durchflußrate (D) = 0,04 h-1 auf dem in der Beschreibung genannten Cu-freien Nährmedium kultiviert.
Dabei wurde eine Biomassekonzentration ≦ 4 g/l und eine sMMO Aktivität ≧ 30 nmol/mg/h erzielt.
An diesen Fermentor wurde eine Bodensäule (1 m Länge, 0,1 m Durchmesser), gefüllt mit 13,4 kg Aquifermaterial eines kontaminierten Grundwasserleiters (Körnung ≦ 6 mm) angeschlossen. Diese Säule wurde 3 Wochen mit der Kulturflüssigkeit des Fermentors (D = 0,025 h-1) durchströmt, wobei die Ausbildung eines Biofilme durch Begasung mit einem Gemisch 30% CH4/70% Luft (9 l/h) stimuliert wurde.
Anschließend wurden in einer mobilen Testeinheit an einem kontaminierten Standort Abbauversuche bei T = 16°C, pH-Wert kontaminiertes Grundwasser kontinuierlich die Säule (0,055 l/h), die mit einem Gemisch 4% CH4/96% Luft begast wurde. Die Konzentration des Chlorbenzol im Zulauf betrug 25 mg/l im Ablauf ≦ 0,01 mg/l. Im abströmenden Gas wurden nur Spuren von Chlorbenzol nachgewiesen. Der Versuch verlief stabil über 9 Monate, wobei durch molekularbiologische Methoden der applizierte Stamm in regelmäßigen Abständen nachgewiesen wurde.

Claims (5)

1. Verfahren zur in situ-Biodegradation von Chlorkohlen­ wasserstoffen in Boden oder stehenden Wässern durch methanotrophe Mikroorganismen, die lösliche Methan- Monooxygenase (sMMO) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schadensstandort Biomasse oder Kulturflüssig­ keit, die durch Kultivierung von sMMO-positiven Mikro­ organismen des Stammes Methylocystis sp. GB14, Hinterlegungsnummer DSM 12955, erhalten wird, eingebracht und gleichmäßig verteilt wird und während der Biodegradation, die bei einer Mindesttemperatur von 12°C und einem pH-Wert von 6,5-7,5 durchgeführt wird, Nährmedium und ein Luft/Methan-Gemisch kontinuierlich zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft/Methan-Gemisch, das 1,5-4,5 Vol.% Methan, vorzugsweise 2-4 Vol.% enthält, zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierung der sMMO-positiven Mikroorganismen mit einem kupferfreien Nährsalzmedium erfolgt, das als Stickstoffquelle Nitrat und alle für das Wachstum essentiellen Nährsalze enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biodegradation mit der Nährlösung gemäß Anspruch 3 durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Methan-Gemisch, im gasförmigen Zustand oder mittels gesättigter Nährlösung zugeführt wird.
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