DE102013207197B4

DE102013207197B4 - Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen, Verwendung des Verfahrens und Verwendung eines Systems zur Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer oder zum Nachweis von Schwermetallen in Gewässern

Info

Publication number: DE102013207197B4
Application number: DE102013207197.3A
Authority: DE
Inventors: Laura Frost; Henry Moll
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: DE102013207197A1

Abstract

Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen, enthaltend die folgenden Schritte:
a. Inkontaktbringen einer Lösung enthaltend ein Minimalmedium und metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien mit einer Lösung enthaltend Schwermetalle,
wobei metabolisch aktive bakterielle Biomasse aus Bakterien des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A verwendet wird,
b. Einstellen der Phosphatkonzentration auf 0,2 mmol/l bis 0,5 mmol/l nach Inkontaktbringen der Lösung, wobei ein molares Verhältnis Phosphat:Schwermetalle von mindestens 1:10 erreicht wird,
wobei Phosphat die Bildung eines ausfallenden Schwermetall-Zell-Agglomerats induziert.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer, sowie den Nachweis von Schwermetallen in Lösungen.
Stand der Technik
Zur Abtrennung von Schwermetallen, insbesondere Uran, aus Wässern mit Hilfe von Mikroorganismen sind bislang die Biosorption (reine Bindung des Schwermetalls auf der Zelloberfläche) sowie indirekte Verfahren, wie die mikrobielle Reduktion von Sulfat zu Sulfid und folgende Ausfällung des Schwermetalls als anorganisches Sulfid bzw. die Reduktion des entsprechenden Schwermetalls ( DE000004433413A1 ), dargelegt.
Neben dem Erreichen einer hohen Trenneffektivität stellt die Immobilisierung des gebundenen Urans eine große Herausforderung dar. Im Fall der reinen Biosorption ( FR000002639652A1 , GB000001507003A ) haben die Zellen zwar teils viel Uran gebunden, es wirkt sich aber äußerst nachteilig aus, dass die Uran-beladenen Zellen in Lösung frei schwimmend vorliegen. Auf eine nötige Immobilisierung wird u.a. in FR000002639652A1 hingewiesen.
Daher gilt es, nicht nur eine hohe Schwermetall-Beladung der Mikroorganismen zu erzielen, sondern zugleich eine Immobilisierung des Zell-gebundenen Urans zu bewirken. In DE000010146375B4 wird die Immobilisierung mit Hilfe der vorgelagerten Einbettung der zur Uran-Sorption verwendeten Zellbestandteile in ein anorganisches Gel (Erzeugung eines Biokompositmaterials) realisiert. Eine ähnliche Lösung, die Einbettung in eine Sol-Gel-Matrix, wurde in US000005084389A angestrebt. Die Verwendung eines Biokomposit-Materials in Form einer Kombination von Pilzen mit metallbasierenden Nanoröhren, -partikeln (Oxide und Hydroxide des Ti, Al und Fe) wurden in CN000101700925B beschrieben.
Diese Immobilisierungs-Strategien haben zum Nachteil, dass ein zusätzlicher Verfahrensschritt - die Einbettung der Zellen - notwendig wird.
Die dem Metall-Sorptionsprozess vorgelagerte Einbettung der Mikroorganismen in eine Matrix (siehe beispielsweise DE000010146375B4 , DE102009037768A1 ) ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt, der mit der vorliegenden Erfindung eingespart werden kann.
Des Weiteren hat die Verwendung einer Matrix den Nachteil, dass die Abtrenneffizienz der Zellen beeinträchtigt werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung kommt es bei der Immobilisierung zu keinem Verlust der Uran-Bindungskapazität der Zellen.
Die stoffinduzierte Bildung eines stabilen, Polymer-ähnlichen Uran-Zell-Verbandes durch Selbstorganisation der Zellen in Lösung wurde bisher nicht als mögliches Verfahren zur Immobilisierung in Betracht gezogen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Parameter, die zur Bildung eines solchen Zellagglomerates führen, schwierig experimentell zu ermitteln und kaum bekannt sind.
WO 2004/ 094 316 A2 offenbart ein Verfahren zum Abbau von Erdöl unter Verwendung von Bakterien, welche in der Lage sind, Erdöl als Kohlenstoffquelle und Harnsäure als Stickstoffquelle zu verwenden. Hierbei wird Harnsäure dem Abbauprozess zugeführt. Bevorzugt verwendete Bakterien sind Acinetobac-ter sp., Acinetobacter calcoaceticus, Alcanivorax sp. und Pseudomonas fluorescens.
WO 98/ 50 177 A1 beschreibt ein Verfahren für eine in situ Bio-Denitrifikation von kontaminiertem Grundwasser und Boden. Unter anaeroben Bedingungen und Zugabe einer Phosphatquelle sowie von Acetat wird Nitrat zu Nitrit und schließlich Nitrit zu Stickstoffgas umgewandelt. Phosphat dient als Nährstoffquelle. Uran wird als möglicher Elektronenakzeptor beim Wachstum der verwendeten Bakterien beschrieben.
US 5 292 456 A offenbart ein Verfahren zur Dekontamination von Böden und Gewässern, welche mit Radionukleotiden und anderen toxischen Metallen verunreinigt sind. Die verunreinigten Materialien werden mit organischen Komplexbildnern versetzt und die entstehende radionukleotid- und/oder metall-citrat-komplexhaltige Lösung mit Pseudomonas fluorescens beimpft. Bei Uranverunreinigungen erfolgt weiterhin eine Belichtung, wodurch Uran-Citrat-Komplexe zerstört werden und polymeres Uran ausfällt.
DE 42 27 769 A1 offenbart Bakterienstämme mit Genen für die Quecksilber-Reduktion, insbesondere die mer-Gene, und einer Resistenz gegen Quecksilber (II)-Verbindungen, insbesondere einen Pseudomonas putida-Stamm, einem gramnegativen Bakterium, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung durch ungezielte Transposon-Mutagenese mit einem mer-Genenthaltenden Transposon. Die Kultur erfolgt mit dem Minimalmedium LP121 mit einem Phosphatgehalt von 100 µM und einer Schwermetallkonzentration von 22,1 µM Quecksilber(II)-chlorid, was einem molaren Verhältnis Phosphat:Schwermetalle von etwa 4,5:1 entspricht.
US 2002/0 015 986 A1 offenbart ein Verfahren zur Reduzierung der Bioverfügbarkeit von Blei durch das Bleisphosphat-komplexierende Bakterium Pseudomonas aeroginosa, wobei das Verhältnis Phosphat:Blei mindestens 1:1 beträgt. US 2002/0 015 986 A1 beschreibt eine Phosphatzugabe von 0,12 g/l bzw. 1,26 mM. Das Verfahren wird auf einem festen Trägermaterial durchgeführt, insbesondere ein synthetisches Polymer oder aktivierter Kohlenstoff, wobei sich das Bakterium auf dem festen Trägermaterial befindet und das Blei aus der Umweltprobe komplexiert.
Lütke et al. beschreibt die Speziesbestimmung von Uran (VI) mit Pseudomonas fluorescens, wobei die pH-Wert-abhängige Komplexierung von Uran (VI) und die Freisetzung von Phosphat durch die Uran (VI)-Komplexierung beschrieben werden [Lütke L, Moll H, Bernhard G (2012) Insights into the uranium(VI) specification with Pseudomonas fluorescens on a molecular level, Dalton Transactions: 41, 13370-13378].
Erfindungsbeschreibung
Die Erfindung umgeht den aufwändigen Schritt der Einbettung der mikrobiellen Zellen durch die Bildung eines an sich immobilen Uran-Zell-Agglomerats. Die Bildung des immobilen Uran-Zell-Verbandes wird dadurch realisiert, dass eine stoffinduzierte Selbstorganisation der Zellen in Lösung erfolgt. Diese wird durch das Vorhandensein von Phosphat induziert, und durch die metabolische Aktivität der Zellen begünstigt. Zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, dass der eingesetzte Stamm, Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A, der in der Lage ist, ein immobiles Uran-Zell-Netzwerk auszubilden, eine vergleichsweise hohe Uran-Bindungskapazität aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive Abtrennung von Uran (Schwermetallen allgemein) durch mikrobielle Zellen ohne einen zusätzlichen Immobilisierungsschritt zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen, enthaltend die folgenden Schritte:

a. Inkontaktbringen einer Lösung enthaltend ein Minimalmedium und metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien mit einer Lösung enthaltend Schwermetalle, wobei metabolisch aktive bakterielle Biomasse aus Bakterien des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A verwendet wird,
b. Einstellen der Phosphatkonzentration auf 0,2 mmol/l bis 0,5 mmol/l nach Inkontaktbringen der Lösung, wobei ein molares Verhältnis Phosphat:Schwermetalle von mindestens 1:10 erreicht wird, wobei Phosphat die Bildung eines ausfallenden Schwermetall-Zell-Agglomerats induziert.

Schwermetalle sind bevorzugt ausgewählt aus Actinoiden, Arsen und Palladium, besonders bevorzugt Uran. Die Schwermetalle liegen bevorzugt als zweiwertige Metallionen vor. Denkbar ist beispielsweise das Vorliegen von Uran als Carbonat, Sulfat, Phosphat, Chlorid oder Nitrat. Bevorzugt liegt Uran als U(VI)-Carbonat vor.
Die Bakterielle Biomasse wird zunächst in einem geeigneten Medium kultiviert. Bevorzugt enthält dieses Medium zweiwertige Kationen, bevorzugt Calcium- und/oder Magnesium-Ionen. Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Ausbeute erfolgt die Kultivierung bevorzugt in Nutrient-Broth-Medium (NB-Medium), welches 5 g/l Pepton, sowie 3 g/l Hefeextrakt enthält. Auch andere übliche Minimalmedien sind für die Kultivierung der Bakterien einsetzbar. Ein Minimalmedium im Sinne der Erfindung ist ein Medium, geeignet für die Kultivierung von Bakterien, welches mindestens die nötigen Stoffe enthält, damit die Bakterien in einem metabolisch aktiven Zustand überlebensfähig sind.
Erfindungsgemäß werden gramnegative Bakterien der Gattung Pseudomonas, der Art Pseudomonas fluorescens, des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A verwendet.
Im Anschluss an die Kultivierung wird die Biomasse bevorzugt in einem anderen Medium resuspendiert. Dieser Schritt ist nur notwendig, wenn für die Schwermetall-Abtrennung ein anderes Medium, als das Kultivierungsmedium verwendet werden soll. Bevorzugt erfolgt die Uran-Abtrennung in reduziertem Standard-Succinat-Medium (SSM). Auch denkbar ist die Uran-Abtrennung im Kultivierungs-Medium.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte bakterielle Biomasse weist bevorzugt eine Trockenmassenkonzentration von maximal 0,8 g/l, besonders bevorzugt maximal 0,5 g/l, ganz besonders bevorzugt maximal 0,3 g/l auf. Die minimale Konzentration an Biomasse ist bevorzugt 0,05 g/l, besonders bevorzugt 0,1 g/l.
Nach Inkontaktbringen der Lösung, enthaltend ein Minimalmedium und metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien, mit dem auszufällenden Schwermetall wird die Phosphatkonzentration auf 0,2 mM bis 0,5 mM, eingestellt. 1 M ist 1 mol/l.
Ein Verhältnis Phosphat:Schwermetalle von mindestens 1:10 wird erreicht.
Vorteilhafterweise induziert Phosphat die Bildung eines Uran-Zell-Agglomerats, welches sich rasch und klar abgetrennt am Boden des Reaktionsgefäßes absetzt. Das abgetrennte Uran ist sehr stabil in einem meta-Autunit-ähnlichen Zellverband immobilisiert. Die Abtrenneffizienz ist bereits visuell erkennbar (1), ICP-MS-Messungen des Zellüberstandes ergaben bei einem Umsatz von Uran-belastetem Wasser mit P. fluorescens im SSM mit Phosphat, dass nach Umsatz nur 1% des Urans in Lösung verbleibt. Der Niederschlag ist mechanisch einfach abzutrennen. Überstehendes aufgereinigtes Wasser kann vorteilhaft ohne einen weiteren Trennschritt im oberen Teil des Reaktionsgefäßes abgezogen werden.
Der pH-Wert der Lösung liegt nach Zugabe von Uran und Einstellung der Phosphatkonzentration bei pH 4 bis pH 9, bevorzugt bei pH 6 bis pH 8, besonders bevorzugt bei pH 6,5 bis pH 7,5.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eine sehr hohe Abtrenneffektivität auf. Die Uran-Bindungskapazität der im erfindungsgemäßen Verfahren frei in Lösung vorliegenden Zellen ist höher als bei immobilisierten Zellen. Das Ausfallen des meta-Autunit-ähnlichen Zellverbandes ist zudem effektiver als die Ausfällung als Salz oder die reine Biosorption. Die Zellen setzen sich als sehr stabiles Agglomerat am Boden des Reaktionsgefäßes / der Reinigungsanlage ab. Dadurch wird ein möglicher Verfahrensschritt der Filtration oder Zentrifugation gespart. Ebenso wird der Verfahrensschritt der Immobilisierung der Zellen gespart.
Alle eingesetzten Stoffe sind biologisch abbaubar und gesundheitlich unbedenklich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine bestimmte Form des Abwassers beschränkt.
Vorteilhaft kann das Zellagglomerat einem Verbrennungsprozess zugeführt werden. UO₂ bleibt übrig; eine Uranrückgewinnung ist möglich.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist die Verwendung eines Systems zur Abtrennung von Schwermetallen, enthaltend ein Minimalmedium, metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien aus dem Stamm Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A und Phosphat in einer Konzentration von 0,2 mM bis 0,5 mM zur Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer oder zum Nachweis von Schwermetallen in Gewässern durch Ausfällung eines Schwermetall-Zell-Agglomerats.
Die bakterielle Biomasse wird aus der Gattung Pseudomonas, aus der Art Pseudomonas fluorescens, aus dem Stamm Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A gewonnen.
Die im System eingesetzte Biomasse aus gramnegativen Bakterien weist bevorzugt eine Trockenmassenkonzentration von maximal 0,8 g/l, besonders bevorzugt maximal 0,5 g/l, ganz besonders bevorzugt maximal 0,3 g/l auf. Die minimale Konzentration an Biomasse ist bevorzugt 0,05 g/l, besonders bevorzugt 0,1 g/l.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer oder zum Nachweis von Schwermetallen in Gewässern.
Im Folgenden soll die Erfindung durch einige Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.
1 zeigt die Bildung des immobilen Uran-Zell-Agglomerates, induziert durch Phosphat (reduziertes Standard-Succinat-Medium enthaltend 0,2 mM Uran und 0,2 g/l P. fluorescens nach Zugabe von 0,3 mM Phosphat). In 2 (Vergleichsversuch) ist reduziertes Standard-Succinat-Medium enthaltend 0,2 mM Uran und 0,2 g/l P. fluorescens ohne Phosphat zu sehen. Die Lösung ist trüblich gelb; es ist kein Niederschlag zu beobachten. 3 zeigt das nach Phosphatzugabe entstehende Agglomerat in vergrößerter Ansicht. Eine effiziente Abtrennung ist bereits durch eine starke Gelbfärbung des Agglomerats (Uran-Bindung) visuell erkennbar. Die Überstehende Lösung ist entfärbt (weißlich).
Vergleichsbeispiel 1 - Uranbindung an bakterielle Zellen ohne Zugabe von Phosphat
Zur Untersuchung der Uranbindung an bakterielle Zellen ohne Zugabe von Phosphat werden zunächst Bakterien des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A in einer Batch-Kultur in NB-Medium kultiviert (5 g/l Pepton, 3 g/l Fleischextrakt, pH 7). Nach Erreichen der exponentiellen Phase werden die Zellen in reduziertem Standard-Succinat-Medium der folgenden Zusammensetzung resuspendiert:
SSM Zusammensetzung (Angaben in g/l):

0,015	KH₂PO₄
0,030	K₂HPO₄
1,0	(NH₄)₂SO₄
0,2	MgSO₄*7H₂O
2,0	Succinat

pH 7

Die Konzentration der Biotrockenmasse im Standard-Succinat-Medium wird auf 0,2 g/l eingestellt. Nach Zugabe von 0,2 mM Uran erfolgt keine Agglomeratbildung. Die Lösung, zu sehen im linken Teil der 2 bleibt trüblich gelb.
Vergleichsbeispiel 2 - Zugabe von Phosphat zu einer Uran-haltigen Lösung ohne Zugabe von bakterieller Biomasse
Reduziertes Standard-Succinat-Medium wird wie im Vergleichsbeispiel 1 beschrieben hergestellt. Eine Zugabe von Bakterieller Biomasse erfolgt nicht. 0,1 mM Uran und 0,3 mM Phosphat werden zugegeben. Es entsteht Uranyl-Phosphat, welches vorwiegend in Lösung verbleibt. Eine Uran-Abtrennung ist nicht möglich.
Ausführungsbeispiel - Meta-Autunit-Bildung unter Zugabe von Phosphat und Uran zu einer bakterielle Biomasse enthaltenden Lösung
Zur Untersuchung der Uranbindung an bakterielle Zellen ohne Zugabe von Phosphat werden zunächst Bakterien des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A in einer Batch-Kultur in NB-Medium kultiviert. Nach Erreichen der exponentiellen Phase werden die Zellen in reduziertem Standard-Succinat-Medium der folgenden Zusammensetzung resuspendiert:
SSM Zusammensetzung (Angaben in g/l):

Die Konzentration der Biotrockenmasse im Standard-Succinat-Medium wird auf 0,2 g/l eingestellt. Die Phosphat-Konzentration wird auf 0,3 mM eingestellt. Ein stabiles Uran-ZellAgglomerat setzt sich am Boden des Reaktionsgefäßes ab (dargestellt in 3). Überstehendes aufgereinigtes Wasser kann ohne einen weiteren Trennschritt im oberen Teil des Reaktionsgefäßes abgezogen werden.

Claims

Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen, enthaltend die folgenden Schritte: a. Inkontaktbringen einer Lösung enthaltend ein Minimalmedium und metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien mit einer Lösung enthaltend Schwermetalle, wobei metabolisch aktive bakterielle Biomasse aus Bakterien des Stammes Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A verwendet wird, b. Einstellen der Phosphatkonzentration auf 0,2 mmol/l bis 0,5 mmol/l nach Inkontaktbringen der Lösung, wobei ein molares Verhältnis Phosphat:Schwermetalle von mindestens 1:10 erreicht wird, wobei Phosphat die Bildung eines ausfallenden Schwermetall-Zell-Agglomerats induziert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Minimalmedium bevorzugt reduziertes Standard-Succinat-Medium ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwermetalle aus Actinoiden, Arsen und Palladium, besonders bevorzugt Uran, ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Uran in Verbindung mit Anionen, bevorzugt in Form von U(VI)-Carbonat vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verwendeten Bakterien bevorzugt in einem Medium enthaltend zweiwertige Kationen, bevorzugt Calcium- und/oder Magnesium-Ionen, kultiviert wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration der Biotrockenmasse maximal 0,8 g/l, bevorzugt maximal 0,3 g/l, besonders bevorzugt maximal 0,2 g/l beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der pH-Wert der Lösung nach Zugabe der Schwermetalle und Einstellen der Phosphatkonzentration bei pH 4 bis pH 9, bevorzugt bei pH 6 bis pH 8, besonders bevorzugt bei pH 6,5 bis pH 7,5 liegt.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer oder zum Nachweis von Schwermetallen in Gewässern.
Verwendung eines Systems, enthaltend ein Minimalmedium, metabolisch aktive Biomasse aus gramnegativen Bakterien aus dem Stamm Pseudomonas fluorescens CCUG 32456 A und Phosphat in einer Konzentration von 0,2 mmol/l bis 0,5 mmol/l, zur Aufreinigung schwermetallbelasteter Gewässer oder zum Nachweis von Schwermetallen in Gewässern durch Ausfällung eines Schwermetall-Zell-Agglomerats.