DE10045787C1 - Verfahren zur in situ-Biodegradation von Chlorkohlenwasserstoffen in Böden und Wässern - Google Patents
Verfahren zur in situ-Biodegradation von Chlorkohlenwasserstoffen in Böden und WässernInfo
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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.
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.
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.
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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---|---|
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2000
- 2000-09-07 DE DE10045787A patent/DE10045787C1/de not_active Expired - Fee Related
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