Quecksilber
wird in die Umwelt sowohl durch biologische als auch durch geologische
Prozesse freigesetzt. Metallisch gebundenes Quecksilber gelangt über natürliche aber
auch anthropogene Quellen global in die Atmosphäre. Daher kommt der größte Teil
des Quecksilbers (Hg0) in der Luft vor,
dieses wird in Reaktionen mit dem Ozon und Wasser zu ionischem Quecksilber
(Hg2+) verändert. Der größte Teil
des Quecksilbers, das in den Wasserkreislauf gelangt, liegt als
Hg2+ vor (MUNTHE 1992).
Auch
in Oberflächengewässern ist
Quecksilber in Spuren nachweisbar (bis 5 ng/l). Im Grundwasser in Deutschland
liegt die Quecksilberkonzentration zwischen 10–50 ng/l). In Südspanien,
einem der ältesten
Minengebiete der Welt, wurden die verschiedensten Mineralien aus
dem Boden geholt, wobei für
die Reinigung der Erze oftmals Quecksilberverbindungen verwendet
wurden, die nun dort in hohen Mengen eine Gefahr für die Umwelt
darstellen (NARTIA 2000).
Anorganisches
Quecksilber im Wasser oder Sediment wandelt sich durch die bakterielle
Umsetzung zu Methylquecksilber um, welches dann über die aquatische Nahrungskette
von der niederen zur höheren
trophischen Stufe angereichert wird. Ebenso wird organisch gebundenes
Quecksilber über
die Nahrungskette weitergegeben. Schlammfressende Fische und Raubfische
reichern das Methylquecksilber bis zu 20 mg/kg an (EBNER et al.
2002).
Die
Toxizität
von Quecksilber beruht hauptsächlich
auf einer Enzymhemmung, da es sich an die Sulfhydrylgruppen von
Proteinen bindet. Außerdem
verursacht es Membranschädigungen und
eine Reduktion des Ribonukleinsäurengehalts
in Zellen. Besonders gefährdet
sind die Nieren. Störungen
des Nervensystems können
im Extremfall zum Tod führen.
Testergebnisse zur Wirkung der Quecksilberkonzentration haben gezeigt, dass
Konzentrationen von 0,0002 mg/l Schädigungen bei Regenbogenforellen
und 0,02 mg/l bei Aalen hervorrufen und Dosen von 0,05 bzw. 0,03
mg/l nach 24 h auf Erlitzen und Daphnien letal wirken. Die Trinkwasserverordnung
schreibt einen Grenzwert von 1 μg/l
vor (DVWK Merkblätter
1993).
Bakterien,
Pilze und Pflanzen haben Mechanismen entwickelt, Quecksilber in
seinen unterschiedlichen Bindungsformen zu widerstehen. Dabei spielen
Bakterien im globalen Quecksilberzyklus eine dominante Rolle darin,
unterschiedliche Schutzmechanismen gegenüber diesem Metall aufzubauen
(RUGH et al. 1998).
So
sind bereits Bakterien wie Clostridium butyricus für ihre genetische
Adaption gegenüber
organischem und anorganischem Quecksilber in hohen Dosen bekannt
(PAN-HOU 1981). Quecksilber-belastetes Abwasser kann bereits über Biofilme
und verschiedene Filtersysteme im technischen Maßstab gereinigt und eine Minimierung
des Gehalts auf 1% erreicht werden, wenn auch die Kultivierung dieser
Biofilme sehr aufwändig
ist. Andere Sanierungssysteme verringern den Gehalt des Quecksilbers
im Wasser mit einer Verfahrenskombination von physikalischer Absorption
und biologischer Reduktion (VON CANSTEIN et al. 2002). Für Bodensanierungen
sind Phytoremediationsverfahren einsetzbar (SCOTT et al. 2000, VOLSKY
1990).
Zu
den konventionellen chemischen und physikalischen ex-situ Methoden
der Wiedergewinnung von gelösten
Schwermetallen gehören
chemische Präzipitation,
chemische Oxidation und Reduktion sowie Ionenaustausch und Filtration.
Diese Verfahren sind relativ teuer. In-situ Verfahren zur Dekontamination
von z.B. uranhaltigen Abfällen
stellen weitaus höhere
Anforderungen, da diese Abfälle
in ihrer natürlichen
Umgebung sehr komplex zusammengesetzt sind. Diese Biotischen und
abiotischen Umweltfaktorenkomplexe sind für Mikroorganismen aber nicht
limitierende Faktoren, da diese sich sehr gut an die Umgebungsbedingungen
anpassen können.
Die entsprechenden Genprodukte der resistenten Mikroorganismen können anschließend in
geeignete Wirtsorganismen transferiert werden.
Für die Beseitigung
von Quecksilber mittels Mikroorganismen aus der Umwelt wurden die
Adsorptionseigenschaften des Stammes Pseudomonas aeruginosa PU21
näher untersucht (CHANG
et al. 1994). Verschiedene Bakterien aus der Gattung Pseudomonas
(GADD 1993) und Enterobacter aerogenes (SEDELMEIER et al. 1992)
bildeten z.B. auf biochemischem Weg Schutzproteine gegenüber Quecksilber.
Der Pilz Streptomyces lividans überlebt
in quecksilberhaltigen Böden
mit einer genetisch erworbenen Adaptation (SUZUKI et al. 2002).
Sulfat-reduzierende
Bakterien schaffen es, in einer mit Methylquecksilber belasteten
Umgebung zu überleben,
indem sie das schädliche
Metall zu weniger löslichen
Verbindungen umwandeln. Für
wirtschaftlich rentable Sanierungsverfahren fehlt dabei aber die
Effizienz. Genetisch veränderte
Pflanzen, wie an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana erforscht
wurde, können
für die
Phytoremediation von Methlyquecksilber in belasteten Böden eingesetzt
werden, wodurch die Toleranz bis auf das 50-fache gegenüber dem
Wildtyp ansteigen kann (BROWN 1985).
Anthropogen
bedingte Umweltbelastungen in Grundwässern und Böden durch angereichertes Uran aus
Atomwaffenprogrammen in Verbindung mit Quecksilber fordert neue
biotechnische Sanierungsmethoden, da es kaum Bakterien gibt, die
sowohl die Resistenz gegenüber
Radioaktivität
bzw. Uran als auch gegen Quecksilber aufweisen (BROWN 1985). Es
gibt Bakterienarten wie Deinococcus radiodurans, die resistent gegenüber Radioaktivität sind oder
wie Desulfosporosinus spp., der fähig ist, Uran zu dem weniger
gefährlichen Uranit
umzuwandeln (SEDELMEIER et al. 1992).
Einige
Metall-Ionen reduzierende Bakterien, wie Shewanella oneidensis-Stämme setzten
gelöste
Metalle wie Chrom und Uran in unlösliche Metalloxide um (HEIDELBERG
et al. 2002). Flechten, die auf uranhaltigen Mineralien vorkommen,
wie Trapelia involuta, akkumulieren größere Mengen an Uranverbindungen
im Gewebe (MARTINEZ-FIRAS 1997).
Die
Adsorption von Cr(III) an Pilzwänden,
sog. Biosorption, mit unterschiedlichen Nährstoffzugaben wurde an Mucor
hiemalis f. hiemalis getestet (EBNER et al. 2002).
Siehe
hierzu auch die deutsche Patentschrift
DE 101 25 365 C2 (Patenterteilungstag
5.6.2003). Darin ist offenbart, dass der aus H
2S-Quellwässern isolierte
Pilz Mucor hiemalis f. irnsingii, Stamm EH5 (DSM 14200) toxische
Schadstoffe abbauen kann, z.B. Schwermetalle, Klärabfälle, ölhaltige Kontaminationen. In
der gesamten Anmeldung findet sich jedoch kein Hinweis auf die speziell
abbaubaren Schwermetalle noch darauf, dass der Pilz diese Abbauleistung
tatsächlich
erbringen kann.
Die
Fähigkeit
von Pilzen bei der Abwasserreinigung wurde bereits mittels A. niger
nachgewiesen, wobei 75% des Zn(II) aus einem mit 150 mM Zn(II) kontaminierten
Wasser entfernt wurde (AKHTAR & MOHAN 1995).
Nach 90-stündiger
Kultivierung von Verticillium marquandii in einem Strohextrakt-Medium,
welches metallhaltige Schlacke (0,07 mM Pb(II) und 15,3 mM Zn(II))
enthielt, waren lediglich 0,05% des Pb(II) und 80% des Zn(II) von
dem Myzel aufgenommen (JAECKEL 2002). Die Adsorptionseigenschaften
von Pilzen gegenüber
Schwermetallen sind vielseitig bekannt. Bevor Pilze Metalle intrazellulär aufnehmen,
kann das Metall präzipitiert
und komplexiert werden oder eine Bindung das Metalls an die Pilzzellwand
erfolgen (VON CANSTEIN et al. 2002).
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikroorganismus
mit einer verbesserten Akkumulation/Adsorption von Schwermetallen,
insbesondere Quecksilber, Chrom und Uran, bereitzustellen. Es ist
eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur
Beseitigung der oben genannten Schwermetalle aus wässrigen
Medien bereitzustellen.
Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Der
bekannte Pilz Mucor hiemalis f. hiemalis zeigte an den Zellwänden gute
Adsorptionseigenschaften gegenüber
Chrom und Blei und deutlich geringere gegenüber Cadmium und Zink (EBNER
et al. 2002). Diese Leistungen sind aber mit dem Pilz Mucor hiemalis
Stamm EH8 der vorliegenden Erfindung nicht zu vergleichen, da dieser
die oben genannten Schwermetalle deutlich effektiver adsorbiert.
Die Metalle Quecksilber und Uran können von dem bekannten Pilz
Mucor hiemalis f. hiemalis nicht dekontaminiert werden (Tab. 1–3).
Es
hat sich herausgestellt, dass Mucor hiemalis Stamm EH8 überragende
Remediationsleistungen in einem breiten pH- und Temperaturbereich
erbringt und daher auch bei niedrigen Temperaturen erfolgreich angewendet
werden kann. Dadurch kann dieses Verfahren sowohl in-situ als auch
ex-situ für
Sanierungen bzgl. Quecksilber, Chrom und Uran eingesetzt werden.
Zusätzlich können Aluminium
und Nickel bis zu 90% bzw. 86% und teilweise (bis zu 46%) Zink eliminiert
werden.
Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Akkumulation von Schwermetallen,
insbesondere von Quecksilber und zur Adsorption von Uran sowie Chrom
mittels beispielsweise angekeimten bzw. aktivierten Pilzsporen,
Hyphen und Pilzbiofilmen von Mucor hiemalis Stamm EH8. Mucor hiemalis
Stamm EH8 wurde bei der DSMZ am 29.03.2004 mit der Hinterlegungsnummer
DSM 16290 hinterlegt. Erfindungsgemäß ist es auch denkbar, weitere
Pilzstämme
der Gattung Mucor einzusetzen, die aus sulfidischen Quellen isoliert
wurden oder werden und die vergleichbare Akkumulations/Adsorptionsmuster
von Schwermetallen aufweisen. Da die 18S rRNA Gensequenz von M.
hiemalis mit der der Pilze Rhizomucor variabilis, Mucor racemosus,
Mucor amphibiorum, Mucor indicus, Mucor mucedo, Mucor circinelloides
und Mucor racemosus sehr ähnlich
ist, können
zudem diese Pilze bzw. deren Stämme
für das
vorliegende Verfahren geeignet sein.
Der
Pilz Mucor hiemalis Stamm EH8 (Mh EH8) wurde aus dem Biofilm einer
tiefenwasserführenden Sulfid-Schwefelquelle
isoliert und ist dadurch an niedrige Temperaturen angepasst, und
sporulationsfähig (1)
und damit für
Grundwassersanierungen geeignet. Die meisten Verfahren mit aquatischen
Pilzen hingegen konnten bisher oft nur oberhalb der Grundwassertemperatur
durchgeführt
werden. Das vorliegende Verfahren kann daher beispielsweise bei
Raumtemperatur durchgeführt
werden. Weiterhin ist es möglich,
die Medientemperatur auf Grundwassertemperatur zu senken und dadurch
einen Schwermetallabbau sogar in tieferen kälteren Sedimentschichten zu
erreichen.
Die
vorliegenden Verfahren können
ebenso bei Raumtemperatur ex-situ eingesetzt werden (1). Zu
diesem Zweck können
Behälter,
Tanks oder andere Reinigungssysteme mit diesen Verfahren kombiniert werden
(siehe Beispiele).
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in den unterschiedlichsten Wässern bei verschiedensten Nährstoff-
und Salzgehalten durchgeführt
werden, ohne Beeinträchtigung
der Abbauleistungen. Versuche in unterschiedlich belasteten Wässern (destilliertem
Wasser, Münchner
Leitungswasser, Klärabwässern, H2S-Wässer)
bestätigen
dieses Leistungsspektrum.
Der
Pilzstamm Mucor hiemalis (Mh) Stamm EH8 verträgt im Gegensatz zum bekannten
Pilz Mucor hiemalis f. hiemalis H2S/Sulfide.
Schwefelhaltige Kontaminationen treten öfter in Kläranlagen auf. Die für den Abbau
von Schadstoffen eingesetzten Mikroorganismen sind oft nur bedingt
tolerant gegenüber
H2S/Sulfiden, wodurch die eigentliche Klärleistung
deutlich vermindert wird. Hingegen kann der Stamm Mh EH8 sowohl
unter aeroben oder als auch unter H2S/Sulfid-haltigen
Wässern
Schwermetalle entgiften.
Darüber hinaus
kann dieses Verfahren für
die Entgiftung von Wässern
aus Mülldeponien
und Industrieabwässern
und kontaminierten Wässern
aus Minen eingesetzt werden. Eine Rückgewinnung von Quecksilber
aus Quecksilber-Abfällen/-Erzen
sogar in Anwesenheit von Uran und/oder Chrom ist auch möglich.
Die
Sanierungsleistung der beiden Verfahren ist im neutralen pH-Bereich
optimal. Verändert
sich das Säure-Basen-Gleichgewicht
hin zum Sauren (pH 4) kann die Beseitigungsleistung nur bis zu 8%
schlechter werden, da in Abhängigkeit
vom Säuregehalt
im Medium die Schwermetalle bzw. biologischen Stoffe stärker oxidiert
werden (2). Nichtsdestotrotz funktioniert
das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei diesem pH-Bereich, so dass es auch zur Dekontamination
schwach saurer Abfälle/Abwässer eingesetzt
werden kann. Im Allgemeinen kann das erfindungsgemäße Verfahren
in einem pH-Bereich von 3–11
eingesetzt werden, vorzugsweise bei pH 4–9, aber bevorzugt bei pH 6–8. Die
Abbauleistung ist bei pH 7 am besten.
Der
Zugabe-Menge von aktivierten Sporen (g) im Vergleich zum zu dekontaminierenden
Wasservolumen (L) kann mittels einer linearen Funktion berechnet
werden (3).
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist es möglich, über ein
oder mehrere sich wiederholende Verfahrensschritte die Grenzwerte
der Trinkwasserverordnung zu erfüllen
oder sogar zu unterschreiten (Tab. 1).
Die
Beseitigung von Quecksilber wird durch Einbau des Schwermetalls
in die Spore intrazellulär
erreicht, wobei die Kinetik der Dekontaminationsleistungen in unterschiedlichen Konzentrationen
erfolgreich getestet wurde (4-6).
Das Quecksilber wird dabei immer an die vom Keimpol entfernten Seite
in der Spore eingebaut (6).
Die
Entfernung von Uran, Chrom, Aluminium, Nickel und Zink, aus wässrigen
Lösungen
wird mittels Adsorption der Schwermetalle entweder an die Zellwand
der intakten Pilzsporen/-hyphenzellen oder an die isolierten Zellwände des
Pilzstammes Mh EH8 insbesondere nach Aktivierung erreicht. Es sei
angemerkt, dass die isolierten Zellwände tote unlöslichen
Bestandteile der Pilze sind.
Insofern
kann eine besonders weitreichende Entfernung/Dekontamination durch
den Pilzstamm Mh EH8 erreicht werden, wenn eine Kombination von
sowohl Sporen, als auch isolierten Pilzzellwänden eingesetzt wird.
Beide
Verfahren können
ex-situ eingesetzt werden. Das kontaminierte Wasser wird z.B. über eine Pumpe
von oben in das System eingeführt.
Behälter
mit aktivierte Pilzsporen bzw. Pilzbiofilme auf Trägermaterial
werden stufenweise bis zum unteren Auffangbehälter durchströmt. Das
Wasser gelangt über
die perforierten Böden
der Behälter
in die nächst
tiefere Schicht. Von dort kann das dekontaminierte Wasser z.B. über einen
Hahn, oder eine Pumpe entnommen werden (9).
Reaktive
Wände bewachsen
mit Pilzbiofilmen von Mucor hiemalis Stamm EH8 ermöglichen
eine Dekontamination von schwermetallhaltigen (Hg, Cr, U, Al, Ni,
Zn) Grundwässern.
Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere auf folgende Aspekte und
Ausführungsformen
gerichtet:
Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die Erfindung den Pilzstamm Mucor hiemalis
Stamm EH8 (DSM 16290). Der Begriff „Pilzstamm", wie hier verwendet, umfasst auch alle
Bestandteile des Pilzes, wie sie in der Natur auftreten oder durch
geeignete Verfahren erzeugt werden, d.h. Sporen, insbesondere aktivierte
bzw. angekeimte Sporen, Mycel, Pilzzellen, isolierte Pilzzellwände, Pilzbiofilme
etc.
Die
Gewinnung der Sporen aus Medien-Platten erfolgt beispielsweise zuerst
durch Abheben des Myzels vom Nährmedium
und anschließendem
Zerkleinern in 1 cm große
Stücke.
Durch eine 5 min. Ultraschallbehandlung in einem Wasserbecken werden
die Sporen aus dem Myzel herausgeschüttelt und anschließend die
breiige Biomasse durch ein Sieb (0,5 mm Maschenweite) durchpüriert, um
die Sporen von dem restlichen Myzel und den Medienresten zu trennen.
Die Sporen werden in destilliertem Wasser mehrmals suspendiert und
abzentrifugiert (4000 × g),
und somit gewaschen. Für
das erfindungsgemäße Verfahren
werden beispielsweise aktivierte Sporen verwendet. Die Aktivierung
wird durch 12 Stunden lange Ankeimung bei 30°C im Wärmeschrank z.B. in einer Nährlösung (PBS,
pH 7,4, PBS = phosphate buffered saline; C-, N-limitierte Medien oder
C-, N-reiche Medien, cf. KIRK et al. 1978) erreicht.
Die
Abk. "M" steht im Folgenden
für die
Einheit "mol/l".
Der
Vorteil der Verwendung isolierter Pilzzellwände (totes, unlösliches
Material) besteht darin, dass die Abbauleistung z.B. ohne 1. die üblichen
Probleme der Funktionsänderungen
bei Zellwachstum, 2. Ausbreitung der Sporen im Wasserkörper, 3.
hohe Gefahr der Fremdbesiedlung, 4. die eventuelle endogene Toxinbelastung
durchgeführt
werden können.
Die Präparation
der Pilzzellwände
für den
Einsatz der Schwermetallbeseitigung bzw. Anreicherung findet z.B.
durch nachfolgendes Verfahren in 6 Schritten statt: Zuerst werden
die Sporen in einer Bligh-Dyer-Lösung
(Dichlormethan:Methanol:Wasser = 1:2:0,8; Bligh & Dyer 1959) (4 h) eingeweicht (2)
(Schritt 1), anschließend
werden die Lipid-Proteine mit einer Methanol-Dichlormethan-Lösung (3:1)
weggewaschen (Schritt 2). Danach folgt die Befreiung von weiteren
Proteinen mit einer 1% SDS-Lösung (12
h) (Schritt 3) und 1 M NaCl (12 h) (Schritt 4). Dann werden die
hydrophilen Komponenten mit Wasser entfernt (12 h) (Schritt 5) und
mit Aceton das Haftwasser wieder entfernt (Schritt 6) (10). Die
so präparierten
Zellwände
werden in der Luft oder in einem Exsikator getrocknet.
Eine
kostengünstigere
Alternative zu diesem Extraktionsverfahren wäre, das Myzel in der Luft zu trocknen
bis es braun wird und dann die Schritte 3–6 durchzuführen, wobei der dritte Schritt
mit heißer
1% SDS Lösung
(50–60°C) durchgeführt werden
kann.
Die
Vorteile dieses Zellwandverfahrens für die Beseitigung von Schwermetallen
sind: 1. weitgehende Unabhängigkeit
von Temperaturen für
den Einsatz in wässrigen
Lösungen;
2. für
die gleiche Beseitigungsleistung wird weniger Zellwandmaterial im
Vergleich zum Sporenmaterial benötigt
(Faktor 0,7) (2); 3. von extrahierten Pilzzellwänden können biologische
Risiken minimiert bzw. ausgeschlossen werden.
Die
Zellwände
werden erfindungsgemäß in erster
Linie aus Sporen gewonnen. Die Gewinnung auch aus anderen Pilzzellen
ist möglich,
jedoch sind die Zellwände
dann weniger aktiv.
Zur
Gewinnung der Pilzbiofilme werden die Sporen im C-, N-reichen Nährmedium
(cf. KIRK et al. 1978) 3 Tage lang auf Blähton wachsen gelassen. Die
Qualitätskontrolle
des Biofilms auf Blähton
nach 3 Tagen erfolgte mittels Stereomikroskop.
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung
von Schwermetallen aus wässrigen
Medien, das die Schritte umfasst,
- a) den Pilz
Mucor hiemalis Stamm EH8 und/oder dessen Bestandteile mit einem
schwermetallhaltigen flüssigen
Medium für
eine Zeitspanne in Kontakt zu bringen, die ausreicht, zumindest
einen Teil der Schwermetalle aus dem flüssigen Medium durch Aufnahme
durch den Pilz und/oder dessen Bestandteile zu entfernen, und
- b) den Pilz und/oder dessen Bestandteile und das flüssige Medium
voneinander zu trennen.
Bei
dem zu behandelnden flüssigen
Medium handelt es sich insbesondere um flüssige Medien oder Waschwasser
aus Mülldeponien,
Industrieabfälle/-abwässer und
kontaminierte Wässer
aus Minen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
werden die Schwermetalle Quecksilber und/oder Uran und/oder Chrom
durch das erfindungsgemäße Verfahren
beseitigt.
Als
Bestandteile des erfindungsgemäßen Pilzstammes
werden insbesondere angekeimte/aktivierte Pilzsporen und/oder gekeimte
Pilzhyphe und/oder extrahierte bzw. isolierte Pilzzellwände und/oder
lebendige Pilzmyzel und/oder Pilzbiofilm eingesetzt (Gewinnung siehe
oben).
Das
oben aufgeführte
Verfahren kann zusätzlich
einen weiteren Schritt umfassen, wobei der vom flüssigen Medium
abgetrennte Pilz und/oder dessen Bestandteile in einer geeigneten
Vorrichtung verbrannt werden, worauf entweder Schwermetalle aus
der Asche zurück
gewonnen/recycled werden oder die Asche deponiert wird.
Erfindungsgemäß wird das
wie oben definierte Verfahren in einem Temperaturbereich von 0,3–50°C mit isolierten
Pilzzellwänden
und 0,3–45°C mit lebendigem
Pilzmyzel, Pilzzellen etc. durchgeführt. Vorzugsweise werden die
erfindungsgemäßen Verfahren
bei Raumtemperatur (15–25°C, am meisten
bevorzugt 21°C) durchgeführt.
Wie
bereits oben angesprochen ist es jedoch auch möglich, die Verfahren bei Grundwassertemperatur (5–12°C) durchzuführen, wodurch
sich ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Pilzes ergibt. Hierdurch kommt
insbesondere eine Dekontaminierung von Grundwasser und anderen Arealen
unter Freilandbedingungen und zudem unabhängig von der jeweiligen Klimazone
und den Jahreszeiten in Betracht.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
werden der Pilz und/oder dessen Bestandteile auf Trägermaterial
aufgezogen.
Bei
einem weiteren Verfahren wird ein Pilzmyzel-Aufwuchs an Blähton verwendet
(siehe auch die gleichzeitig mit dieser Anmeldung am 28.4.2004 eingereichte
DE Patentanmeldung „Verfahren
zur Beseitigung von Schwermetallen aus wässrigen Medien durch kompatible
Mucor hiemalis Pilzstämme" von J. Fritscher,
E. Hoque, M. Stöckl,
Az 17001, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird). Als
Träger-
bzw. Aufwuchsmaterial für
das lebende Pilzmyzel eignet sich insbesondere Blähton, z.B.
in gebrochener Form in Korngrößen zwischen
4–8 mm.
Der Blähton
z.B. wird 6 h in dem Flüssignährmedium
vorgesättigt.
Als Nährmedium
kann PBS pH 7,4 eingesetzt werden. Anschließend werden die Sporen in das
Flüssigmedium
zugegeben und 1 Woche bei 25 °C
auf dem Schüttler
bewegt.
Für die Verwendung
aktivierter Sporen und von Pilzbiofilmen können Filtergewebe, z.B. Nylon
mit einer Maschenweite ≤ 3 μm, verwendet
werden. Dabei können
die Sporen die Gewebewand nicht durchpassieren, das schwermetallbelastete
Wasser kann jedoch ungehindert durch das Gewebe dringen. Dadurch
werden die Abbauleistungen nur geringfügig (≤ 5%) vermindert.
Die
(isolierten) Pilzwände
können
z.B. auf eine dünne,
wasserpermeable Matrix als Trägermaterial aufgebracht
werden, damit kann in-situ, je nach Wasserkörper ein geeignetes großes Filtersystem
verwendet werden.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Verfahren
in fakultativ aeroben/anaeroben, reduzierenden oder H2S/Sulfid
belasteten Wässern
durchgeführt.
Wie
bereits oben ausgeführt
bzw. wie auch in den folgenden Beispielen dargelegt wird, kann das
erfindungsgemäße Verfahren
in einem breiten pH-Spektrum durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann so in einem pH-Bereich von 3–11, vorzugsweise bei pH 4–9, aber
noch mehr bevorzugt bei pH 6–8,
am meisten bevorzugt bei pH 7 durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß werden
zur Beseitigung von Quecksilber bevorzugt aktivierte Sporen/Pilzhyphenzellen
und/oder Pilzbiofilm eingesetzt, wobei zur Beseitigung von Chrom
und Uran vorzugsweise Sporen-/Pilzzellwände eingesetzt werden.
Die
Pilzbestandteile von Mucor hiemals Stamm EH8 sind insbesondere auch
in Kombination miteinander einsetzbar. Dabei können
- a)
aktivierte Sporen
- b) aktivierte Hyphenzellen und
- c) Pilzbiofilm auf geeignetem Trägermaterial,
von
einander getrennt und/oder nacheinander und/oder gleichzeitig verwendet
werden.
Die
Gesamtdauer des Abbauverfahrens beträgt vorzugsweise 0,5–100 h,
besonders bevorzugt 2–40 h.
Hier wird insbesondere auf die Beispiele und 7 verwiesen.
Die
Beseitigung von Quecksilber, Chrom und Uran, folgt insbesondere
jeweils einer 2-Phasenkinetik. Die Phase 1 dauert weniger als 10
Stunden, dabei kann oft mehr als die Hälfte des Quecksilbers beseitigt
werden, der Kurvenverlauf ist dabei exponentiell. Die Phase 2 kann
durch einen stetigen, aber langsamen Rückgang der Schwermetallbelastung
beschrieben werden. Insgesamt wurde der Quecksilberabbau jeweils über einen
Zeitraum von 48 Stunden gemessen (7, 8).
Das gesamte Abbauverfahren nimmt somit vorzugsweise 0,5–100 h,
vorzugsweise 2–40
h in Anspruch. Das Verfahren kann auch nur über den vergleichsweise kurzen
Zeitraum von 0,5 bis 10 h durchgeführt werden (Phase 1), da hier
die Abbauleistung am größten ist
(siehe 7).
Der
Pilzstamm Mucor hiemalis Stamm EH8 wird erfindungsgemäß bevorzugt
zur Entfernung von Schwermetallen in Grund- und Oberflächenwässern, Kläranlagen,
Abwässern,
und Industrie- und Minenwässern
eingesetzt.
Zuletzt
betrifft die vorliegende Erfindung eine Filtervorrichtung zum Auffinden/Entfernen
von Schwermetallen in einem flüssigen
Medium, die folgende Bestandteile umfasst:
- a)
einen Zulauf für
mit Schwermetallen verunreinigtes flüssiges Medium;
- b) einen Ablauf für
gereinigtes flüssiges
Medium; und
- c) ein oder mehrere Filterschichten mit durch den Pilz Mucor
hiemalis Stamm EH8 oder dessen Bestandteilen beschichteten Trägermaterialien,
die aufeinanderfolgend zwischen dem Zulauf und dem Ablauf angeordnet
sind;
In
dieser Vorrichtung ist den Schichten vorzugsweise ein Filtersystem
zum Vorfiltern des Wassers vorgeschaltet.
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen und Tabellen
näher beschrieben.
Die
Abbildungen und Tabellen zeigen:
1:
Temperaturdiagramm zum Wachstumsverhalten des Pilzes Mucor hiemalis
Stamm EH8 bei unterschiedlichen Temperaturen. Durchschnittliches
Pilzwachstum in 24 Stunden bei unterschiedlichen Temperaturen auf
Malz-Extrakt-Agar-Nährmedium.
Der M. hiemalis Stamm EH8 wächst
im Optimum bei 25 °C. Zwischen
20–30 °C tritt maximal
2% Abweichung im Wachstum auf. Für
den Einsatz bei Grundwassertemperaturen (5–12°C) kann das ursprüngliche
Wachstum um mindestens 50% aufrechterhalten bleiben.
2:
Stabilitätstest
des Verfahrens im pH-Bereich zwischen 4–9. Stabilitätstest von
aktivierten Sporen in wässrigen
Lösungen
im pH-Bereich zwischen pH 4 bis 9, die Dekontaminationsleistung
liegt immer über 90%
des Ausgangswertes, auch bei extremen pH-Werten (pH 4 und 9).
3:
Graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einzusetzender
Sporenmenge (g) vs. Wassermenge (L). Es zeigt sich eine lineare
Beziehung. Graphische Darstellung der geeigneten Zugabe von aktiviertem
Sporenmaterial (Mh EH8) (Y in g) im Filter in Abhängigkeit
vom zu reinigendem Wasservolumen (X), berechnet für 1000 μg/L Quecksilber-Kontamination
(durchgezogene Linie,•),
nach der Formel: Y = – 0,2457855146
+ 1,0296158967 × X
(r2 = 1). Gestrichelte Linien zeigen 95%
Konfidenzintervalle.
4:
Akkumulationskinetik von Quecksilber aus wässrigen Medien zu unterschiedlichen
Hg-Konzentrationen, beispielhaft dargestellt. Kinetik der interzellulären Akkumulation
von Quecksilber in Mh EH8 aus wässrigen
Medien bei unterschiedlichen Hg-Konzentrationen, beispielhaft dargestellt.
(Mhh = Mucor hiemalis f. hiemalis, Mh = Mucor hiemalis Stamm EH8)
5:
Scanning Elektronenmikroskopie (SEM) und Röntgenemissionsspektroskopie
des in die Spore eingebauten Quecksilbers. 5: A: Röntgenemissionsspektroskopische-Analyse
des eingebauten Quecksilbers in der Spore. Bild B: Rückstrahldetektion
(helle Fläche)
von gebundenem Quecksilber in der Spore. Bild C: REM (Rasterelektronenmikroskopie)-Kontrollbild, das
Quecksilber (helle Fläche)
befindet sich innerhalb der Spore.
6:
Keimung der aktivierten Spore in mit Quecksilber belastetes Wasser.
Die Sporen binden das Schwermetall entfernt von den Keimpolen, wahrscheinlich
an den Membranen verschiedener Organellen bzw. Vesikeln. Aktivierung
der Spore durch Keimung in mit Quecksilber belastetem Wasser. Die
Sporen binden Quecksilber entfernt von den Keimpolen (Kp), wahrscheinlich
an der Membran der Organellen bzw. Vesikeln. Bilderreihe a, zeigt
die Auskeimung in situ mittels einer REM-Bilderreihe; b, Rückstrahldetektion.
7:
Adsorptionskinetik des Schwermetalls Chrom an Mucor hiemalis Stamm
EH8 in einer Zeitdauer von 48 Stunden, im Vergleich zu dem bekannten
Pilz Mucor hiemalis f. hiemalis. Kinetik der Sorption von Chrom
an die Pilzzellwand in einer Zeitdauer von 48 Stunden, im Vergleich
zum bekannten Pilz Mucor hiemalis f. hiemalis (Mhh).
8:
Adsorptionskinetik des Pilzes Mucor hiemalis Stamm EH8 bei Uran
innerhalb von 48 Stunden. Kinetik der Sorption des Pilzes M. hiemalis
Stamm EH8 (Mh EH8) z.B. bei Uran-238 innerhalb von 48 Stunden, im
Vergleich zum bekannten Pilz M. hiemalis f. hiemalis (Mhh).
9:
Biologisches (ex-situ) Filtersystem für die Beseitigung von Quecksilber,
Chrom und Uran aus kontaminierten Wässern. Beispiel eines biologischen
(ex-situ) Filtersystems zur Beseitigung von Quecksilber, Chrom,
Uran, Aluminium, Nickel und Zink aus kontaminierten Wässern unter
Verwendung von aktivierten Sporen, Zellwänden und Pilzbiofilmen des
Pilzes M. hiemalis Stamm EH8.
Tab.1:
Beispiele von Dekontaminationsleistungen durch den Pilz Mucor hiemalis
Stamm EH8 (Mh EH8) bei 3 unterschiedlichen Konzentrationen; Vergleich
zwischen dem bekannten Mucor hiemalis f. hiemalis (Mhh), mit dem
für das
Verfahren verwendete Stamm Mucor hiemalis Stamm EH8. Beispiele für die Dekontamination
von Quecksilber aus wässrigen
Lösungen.
Vergleich der Dekontaminationsleistung zwischen dem bekannten M.
hiemails f. hiemalis (Mhh), mit dem für das Verfahren verwendete
Pilzstamm M. hiemalis Stamm EH8 (Mh EH8). Quecksilber wird nur vom
M. hiemalis Stamm EH8 akkumuliert. Der Trinkwassergrenzwert von 1 μg/L wird
fast erreicht. Werden Sporen (in Filtern) in einem zweiten Schritt
in das Wasser zugegeben, ist der Grenzwert unterschritten.
Tab.
2: Adsorptionsleistung des Pilzes Mh EH8 bei einer Kontamination
von 1000 μg/l
Chrom im Vergleich zum dem bekannten Pilz Mucor hiemalis f. hiemalis
und zur Trinkwasserverordnung.
Tab.
3: Der Stamm M. hiemalis EH8 (Mh EH8) kann bis zu 88% Uran-238 entfernen,
im Gegensatz zum bekannten Pilzstamm Mucor hiemalis f. hiemalis
(Mhh).
