DE19521165C2 - Verwendung von N-acylierten Proteinhydrolysaten und N-acylierten Aminosäuren zum mikrobiellen Abbau der Restölfraktionen in öl-kontaminierten Böden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von N-acylier­ ten Proteinhydrolysaten und N-acylierten Aminosäuren beim mikrobiellen Abbau der Restölfraktionen in öl-, insbesondere mineralöl-kontaminierten Böden.

Im Labor können Vertreter aller Kohlenwasserstoff­ typen (n-Alkane- Isoalkane, gesättigte Ringe und Rings­ ysteme, mono-, di- und höhercyclische Aromaten) nahe­ zu vollständig biologisch abgebaut werden (z. B. Chem. Biol. Interactions (1986) 57, 203-216). Von besonderer Bedeutung bei der Verwertung von hydrophoben Sub­ straten ist die Art der Aufnahme durch die Mikroorga­ nismen. Folgende Mechanismen werden dabei disku­ tiert (Environ. Sci. Technol. (1993) 27/1,104-110):

• 1. Aufnahme von Gelöstkohlenwasserstoff aus der Wasserphase
• 2. Anheftung der Zellen an große Kohlenwasser­ stoff-Tropfen
• 3. Anlagerung von Mikroalkantropfen an die Zello­ berfläche.

Mit diesen Aufnahmemechanismen im direkten Zu­ sammenhang steht die für viele Mikroorganismen nach­ gewiesene Produktion von selbstemulgierenden ober­ flächenaktiven Substanzen (z. B. Appl. Microbiol. Bio­ technol. (1989) 31,582-586).

Diese Biotenside, die einerseits extrazellulär vorlie­ gen, bewirken eine Öl-in-Wasser Emulsion. Anderer­ seits haften sie an den Zelloberflächen und erleichtern somit den Transport der Kohlenwasserstoffe in die Zel­ le. Koch und Mitarbeiter [J. Bacteriol. (1991) 173, 4212-4219] beschreiben die Schlüsselfunktion eines Rhamnolipids als Hauptkomponente für die Verwer­ tung von Hexadecan durch Mutanten von Pseudomonas aeruginosa. Vielfach wird auch über den Einsatz von gereinigten Biotensiden berichtet, die die Verfügbarkeit der Kohlenwasserstoffe (KW) erhöhen sollen.

A. Oberbremer [Appl. Microbiol. Biotechnol. (1990a) 32, 485-489, (1990b) Diss. A. TU Braunschweig] unter­ suchte den Einfluß von Biotensiden (Sophoroselipide) auf den Abbau eines Modellölgemisches in Rühr- und Festbettreaktoren. Die Kohlenwasserstoffabbaurate konnte durch Sophoroselipidzusatz verdoppelt werden. Es wird ein zweiphasiger Abbau beschrieben. Nach Be­ endigung des KW-Abbaus wird das zugesetzte Bioten­ sid verwertet.

Mit der Wirkungsweise von biogenen Tensiden (So­ phoroselipide) auf den KW-Abbau in naturähnlichen Systemen am Modell eines Bodenfestbettreaktors be­ schäftigte sich R. Meier [(1990) Diss. A. TU Braun­ schweig]. Wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit sind die Verbesserung der Verfügbarkeit von im Boden immobi­ lisierten KW aufgrund von möglichen Umbenetzungs­ vorgängen und die Erhöhung der Pseudolöslichkeit von KW durch die Bildung von Mikroemulsionen.

Neben den Biotensiden fördern insbesondere auch synthetische Tenside die Aufnahmefähigkeit der Koh­ lenwasserstoffe durch die Mikroorganismen. Die biolo­ gische Aktivität der Tenside ist je nach Tensidklasse unterschiedlich ausgeprägt.

Für alle Tensidklassen gelten, daß sie an biologischen Membranen unspezifisch die Durchlässigkeit beeinflus­ sen. Kationische und zwitterionische Tenside zeigen vielfach eine bakterizide Wirkung, während diese bei anionischen Tensiden weniger ausgeprägt und meistens nur gegen grampositive Bakterien gerichtet ist. Nichtio­ nische Tenside beeinflussen ebenfalls die Bakterien­ membran, sind selbst aber nicht bakterizid. Eine Über­ sicht über den Einfluß von oberflächenaktiven Substan­ zen auf den mikrobiellen Abbau von organischen Sub­ stanzen geben Rouse und Mitarbeiter [Crit. Rev. in En­ viron. Sci. Technol. (1994) 2414, 325-370]. Es wird ge­ zeigt, daß in Gegenwart der Tenside einerseits Steige­ rungen und andererseits Hemmungen des KW-Abbaus möglich sind. Die Ursache dieses Phänomens ist nicht geklärt. Es ist anzunehmen, daß die sterische Anord­ nung bzw. Konformation der Tenside mit den Zellmem­ branlipiden und -enzymen einen bedeutenden metaboli­ schen Faktor darstellt, d. h. daß eine direkte Wechsel­ wirkung der Tenside mit den Mikroorganismen stattfin­ det. Einen tabellarischen Überblick über den Einsau von Tensiden beim mikrobiellen Kohlenwasserstoff- Abbau findet man bei Liu et al. [Appl. Environ. Micro­ biol. (1995) 61,145-151].

Soll ein mikrobiologischer Abbau von Kohlenwasser­ stoffen nicht in Flüssigkultur, sondern im Boden von­ statten gehen, wird die Bioverfügbarkeit zusätzlich im entscheidenden Maße von der Art der Bodenmatrix (stoffliche Zusammensetzung und Korngrößenvertei­ lung) bestimmt. Adsorptionseffekte in Kapillaren und Poren subzellulärer Dimension führen i. a. zu einer schlechteren Verfügbarkeit.

Zur Desorption der gebundenen Kohlenwasserstoffe werden in der Regel oberflächenaktive Substanzen ein­ gesetzt. Auch hier werden sowohl positive [z. B. Ed­ wards et al., Environ. Sci. Technol (1991) 25, 127-133] als auch negative Effekte verzeichnet [Laha et al. Envi­ ron. Sci. Technol. (1991), 25/11, 1920-1931].

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß trotz der vielen in der Literatur beschriebenen positiven Beispie­ le bei der Sanierung von mineralölkontaminierten Area­ len, wie z. B. Raffineriegeländen, Probleme auftreten. Diese Probleme sind auf die außerordentlich komplexe Zusammensetzung der Mineralöle, die aus einigen tau­ send Verbindungen bestehen können, zurückzuführen. Je nach Alter der Altlast kommt es früher oder später zu einer einsetzenden Stagnation des Abbaus. Ein Still­ stand wird oft bei Restkonzentrationen zwischen 10 und 30% des Ausgangswertes (Restölfraktion) beobachtet.

Es bestand daher die Aufgabe, den Abbau der Restöl­ fraktionen aus mineralölkontaminierten Böden unter Einsatz von toxikologisch möglichst unbedenklichen mi­ kroorganismusverträglichen Tensiden durchzuführen.

Es wurde überraschend gefunden, daß Tenside aus der Gruppe der N-acylierten Proteinhydrolysate und N-acylierten Aminosäuren (anionische Tenside) dazu in hervorragender Weise geeignet sind.

Die Erfindung betrifft daher die Verwendung von N-acylierten Proteinhydrolysaten und N-acylierten Aminosäuren beim mikrobiologischen Abbau der Rest­ ölfraktion in öl-, insbesondere mineralöl-kontaminierten Böden, wobei der Kohlenwasserstoffrest der Acrylgrup­ pen gesättigt oder ungesättigt und unverzweigt oder verzweigt ist und 5 bis 21 Kohlenstoffatome enthält.

Vorzugsweise enthält der Kohlenwasserstoffrest der Acrylgruppe 7 bis 17 und besonders bevorzugt 11 bis 15 Kohlenstoffatome.

Die Proteinhydrolysate enthalten bevorzugt 2 bis 100, besonders bevorzugt 2 bis 50 Aminosäureeinheiten, wo­ bei innerhalb der Proteine, wie bei Naturstoffen üblich, verschiedene Aminosäuren enthalten sein können.

Diese N-acylierten Proteinhydrolysate bzw. N-acy­ lierten Aminosäuren enthalten als Bausteine Carbon­ säuren und Aminosäuren und sind wie die Biotenside potentiell gut abbaubar.

Als Aminosäuren können natürliche Enantiomere oder synthetisch hergestellte reine Isomere oder Race­ mate oder auch deren Gemische verwendet werden. Vorzugsweise werden α-Aminosäuren eingesetzt. Ins­ besondere seien davon die Aminosäuren Alanin, Glycin, Isoleucin, Leucin, Phenylalanin oder Valin oder deren Mischungen genannt.

Der mikrobielle Abbau kann dabei sowohl vor Ort direkt im Boden als auch nach Entnahme des Bodens in einer Aufbereitungsanlage durchgeführt werden.

Lipidmodifizierte (acylierte) Proteinhydrolysate sind milde, hautfreundliche Tenside, die in gewissem Umfang im Kosmetikbereich eingesetzt werden. Die dafür benö­ tigten Proteinhydrolysate werden durch Enzym- (Pro­ tease-) katalysierten Abbau tierischer und neuerdings auch pflanzlicher Rohstoffe, wie z. B. Raps- oder Wei­ zenproteinen, gewonnen.

Als Carbonsäurekomponenten werden Verbindun­ gen mittlerer Kettenlängen des Fettsäurebereichs ("lau­ ric range") bevorzugt.

Eingesetzt werden dabei Gemische der entsprechen­ den Säurechloride, wie z. B. Kokossäurechlorid mit na­ türlicher Fettsäureverteilung. Die Umsetzungen erfol­ gen unter den Bedingungen der Schotten-Baumann-Re­ aktion in wäßriger, alkalischer Lösung bzw. in Suspen­ sion.

Die Reaktion ist auch auf die Acylierung reiner Ami­ nosäuren anwendbar.

Eine interessante Variante bei der Herstellung der N-acylierten Proteinhydrolysate bzw. N-acylierten Aminosäuren stellt die Verwendung der entsprechen­ den Methylesterhydrochloride der Aminosäuren dar. Gewöhnlich werden dabei höhere Ausbeuten erzielt. Allerdings muß im nachfolgenden Schritt der Ester schonend hydrolysiert werden.

Es wurde gefunden, daß sich zur Herstellung größe­ rer Mengen definierter Verbindungen z. B. eine Metho­ de eignet, bei der die Umsetzung silylgeschützter Ami­ nosäuren eine Schlüsselrolle spielt. Die Umsetzungen erfolgen dabei in organischen Medien, wodurch eine Hydrolyse der Fettsäurechloride ausgeschlossen ist.

Dazu werden die Proteinhydrolysate bzw. Aminosäu­ ren zunächst mit Trimethylsilylchlorid in die entspre­ chenden Silylderivate überführt, die dadurch in organi­ schen Lösungsmitteln löslich werden. Ein weiterer wich­ tiger Vorteil dieser Methode ist, daß auf diese Weise auch andere protische Funktionen von Aminosäuren, z. B. Hydroxygruppen in Serin oder Tyrosin temporär geschützt werden können.

Die N-Acylierungen der Proteinhydrolysate bzw. Aminosäuren können auch mit enzymatischen Metho­ den durchgeführt werden.

Claims (6)

1. Verwendung von N-acylierten Proteinhydrolysaten oder N- acylierten Aminosäuren mit 5 bis 21 Kohlenstoffatomen im Kohlenwasserstoffrest der Acylgruppen beim mikrobiologischen Abbau der Restölfraktionen in öl­ kontaminierten Böden.

2. Verwendung nach Anspruch 1 mit 7 bis 17 Kohlenstoffatomen im Kohlenwasserstoffrest der Acylgruppe.

3. Verwendung nach Anspruch 1 mit 11 bis 15 Kohlenstoffatomen im Kohlenwasserstoffrest der Acylgruppe.

4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Hydrolysat aus pflanzlichen Proteinen.

5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Alanin, Glycin, Isoleucin, Leucin, Phenylalanin oder Valin oder deren Mischungen als Aminosäuren.

6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für den Abbau von Rest-Mineralölfraktionen.