DE19708181A1 - Verfahren zum mikrobiellen Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteten Medien und dazu geeignete Mikroorganismen - Google Patents
Verfahren zum mikrobiellen Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteten Medien und dazu geeignete MikroorganismenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mikrobiellen Abbau von Schadstoffen in
schadstoffbefrachteten Medien bei der Luft-, Abwasser- oder Bodenreinigung und eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Weiterhin betrifft die Erfindung für die
Durchführung des Verfahrens geeignete Mikroorganismen und ihre Verwendung.
Als Sanierungsverfahren werden die Methoden bezeichnet, mit denen sich eine Schad
stoffreduzierung in schadstoffbefrachteten Medien (Luft, Abwasser, Boden) erzielen
läßt. Zu diesen Methoden gehören sowohl die thermische, physikalische oder chemi
sche Behandlung des kontaminierten Mediums als auch die biologische Schadstoffeli
minierung, bei der die im Medium enthaltenen Schadstoffe durch die Mikroorganismen
zersetzt oder in andere Stoffe umgewandelt werden, deren Entsorgung unproblemati
scher ist. Für den effizienten Abbau von Schadstoffen geeignete Mikroorganismen
müssen über die spezifische Abbaufähigkeit hinaus eine optimale Schadstofftoleranz
und eine möglichst hohe genetische Stabilität aufweisen. Darüber hinaus dürfen geeig
nete Stämme nicht pathogen sein und keine gefährlichen End- oder Zwischenprodukte
bilden.
Da an entsprechend kontaminierten Standorten durch die natürliche Selektion bereits
eine Anreicherung von Mikroorganismen stattgefunden hat, die über besondere Ab
baufähigkeiten für diese Schadstoffe und über eine relativ gute Schadstofftoleranz
verfügen, werden zur biologischen Schadstoffeliminierung häufig standorteigene Mikro
organismen verwendet. Standorteigene Mikroorganismen haben jedoch häufig den
Nachteil, daß sie sich aufgrund ihrer niedrigen Abbau raten, ihrer niedrigen Toxin
toleranz oder ihrer Anfälligkeit gegen Fremdkeime für den Einsatz in umwelttechnischen
Anlagen nicht eignen. Aus diesem Grund finden in der mikrobiellen Schadstoffeliminie
rung immer mehr "Spezialkulturen" Anwendung, die sowohl höhere Abbauraten als
auch eine geringere Anfälligkeit gegen Fremdkeime, eine relativ hohe genetische Stabi
lität und/oder eine hohe Toxintoleranz aufweisen. Durch den Einsatz von Spezialkultu
ren läßt sich eine gewisse Steigerung der Abbauleistung der Biozönose und eine Ver
kürzung von Anfahrzeiten von Abbausystemen erzielen.
Im Bereich der Umweltbiotechnik sind eine Reihe speziell für bestimmte Anwendungen
gezüchteter Mikroorganismen kommerziell erhältlich. Werden solche Mikroorganismen
kulturen bei den Abbauverfahren nach dem Stand der Technik eingesetzt, so tritt häufig
das Problem auf, daß die Lebensdauer der eingesetzten Mikroorganismen und daher
die Abbauleistung der Kultur begrenzt sind, weil die Spezialisten nach der Beimpfung
absterben oder von anderen, zum Schadstoffabbau nicht beitragenden Mikroorganis
men verdrängt werden.
Dies gilt besonders dann, wenn in dem schadstoffbefrachteten Medium Gemische aus
toxischen und nichttoxischen Substanzen vorliegen. Kommen solche Substratgemische
vor, so werden die leichter abbaubaren Stoffe bevorzugt umgesetzt, da dies ener
getisch günstiger ist. Die adaptierten Spezialisten werden nicht weiter gefordert und
entwickeln sich demnach nicht weiter. Deshalb gelingt eine langfristige Etablierung der
Kulturen bei den Abbauverfahren nach dem Stand der Technik meist nicht und aus die
sem Grund muß der Abbaufermenter, in dem die Abbaufermentation stattfindet, peri
odisch nachgeimpft werden, was zeit- und kostenintensiv und daher unwirtschaftlich ist.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zum mikrobiellen Abbau von
Schadstoffen in schadstoffbefrachteten Medien so zu verbessern, daß eine langfristige
Etablierung der zum Schadstoffabbau eingesetzten Mikroorganismenkulturen erreicht
wird und gleichzeitig hohe Abbau raten erzielt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfin
dung ist es, Mikroorganismen, die sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens eignen, sowie ihre Verwendung und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in schadstoffbe
frachteten Medien bei der Luft-, Abwasser- oder Bodenreinigung gelöst, bei dem eine
kontinuierliche Abbaufermentation unter Einsatz von in dem schadstoffbefrachteten
Medium vorhandenen Mikroorganismen und/oder einer dem Medium zugesetzten
Mikroorganismenkultur in einem Abbaufermenter durchgeführt wird, wobei während der
Abbaufermentation die Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter mit Hilfe eines Re
gelkreises gesteuert wird.
Diese Steuerung kann wahlweise dadurch erfolgen, daß die Schadstoffkonzentration
zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert konstant gehalten wird
(toxinostatische Fermentation) oder dadurch, daß die Vitalität der Biomasse als Füh
rungsgröße für die Regelung der Toxinkonzentration herangezogen wird
(toxinodynamische Fermenation). Bei dieser toxinodynamischen Fermentation dienen
z. B. der Sauerstoffverbrauch bzw. die Zellatmung als Vitalitätsparameter. Die obener
wähnten Regelungen der Schadstoffkonzentration im Fermenter erlauben es, den
Selektionsdruck während des Prozesses aufrechtzuerhalten. Während der toxinostati
schen oder toxinodynamischen Fermentation erfolgt aus dem Fermenter zwecksmäßig
eine kontinuierliche Probennahme zur On-Line-Messung der Schadstoffkonzentration,
wobei die Art der Messung selbstverständlich von dem nachzuweisenden Schadstoff
abhängt. Die Regelung läßt sich so parametrisieren, daß bei Erreichen eines bestimm
ten Schwellwertes die abzubauenden Schadstoffe in den Reaktor gepumpt werden,
während beim Erreichen eines zweiten, oberen Konzentrationschwellwertes der Zufluß
der Schadstoffe herabgesetzt wird.
In Fig. 1 werden beispielsweise die Phenol- und Formaldehydkonzentration im Ablauf
einer toxinostatischen Fermentation gezeigt. Kurve A zeigt das Meßsignal der Konzen
tration von Phenol und Kurve B das Meßsignal der Konzentration von Formaldehyd im
Fermenter. Die schwarzen Blöcke zeigen die Dauer der Pumpintervalle der Substratzu
führung an.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter toxinostatischer Fermentationsführung bringt
für den technischen Schadstoffabbau im kontinuierlichen Reaktor zwei wesentliche Vor
teile. Zum einen können durch Vorgabe eines geeigneten Sollwerts für die Schad
stoffkonzentration im Reaktorausfluß vorgeschriebene Vorflutergrenzwerte eingehalten
werden. Zum anderen erlaubt diese Art der Regelung, hohe Schwankungen der
Schadstoffkonzentration im schadstoffbefrachtetem Medium in dem kontinuierlichen
Betrieb effizient abzupuffern.
Um zu verhindern, daß Mikroorganismen, die keinen Beitrag zum Schadstoffabbau lei
sten, sich auch im System etablieren, liegt der untere Schwellwert der Schadstoffkon
zentration im Abbaufermenter vorzugsweise nicht unter der Ökotoxizitätsgrenze von im
Abbaufermenter eventuell vorhandenen, zum Schadstoffabbau jedoch nicht beitragen
den Mikroorganismen. Die Ökotoxizitätsgrenze ist diejenige Schadstoffkonzentration,
bei der der Gesamtstoffwechsel des untersuchten biologischen Materials zusammen
bricht.
In einer bevorzugten Durchführungsform der Erfindung enthält das schadstoffbefrach
tete Medium Formaldehyd und die zugesetzte Mikroorganismenkultur enthält die
Mikroorganismen DSM 11423 und/oder DSM 11424 oder Mutanten oder Varianten die
ser Mikroorganismen.
Formaldehyd in wäßriger Lösung, üblicherweise auch als Formalin bezeichnet, wirkt
extrem toxisch auf Mikroorganismen und ist eines der besten Desinfektions-, Konser
vierungs- und Sterilisationsmittel. Die Formaldehydtoleranzwerte der bisher beschrie
benen Mikroorganismen liegen weit unterhalb der üblicherweise in problematischen
Abwassern und Abfällen anfallenden Formalinkonzentrationen. Daher war ein mikrobio
logischer Abbau von Formaldehyd in hohen Konzentrationen bislang nicht möglich.
Beim Einsatz der obengenannten Mikroorganismen in dem Verfahren gemäß der Erfin
dung entwickelt sich jedoch eine Mikroorganismenkultur, die in der Lage ist, Formalde
hydkonzentrationen von bis zu 5500 mg/l zu tolerieren und den Schadstoff mit hoher
Geschwindigkeit abzubauen.
In einer weiteren Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das
schadstoffbefrachtete Medium Phenol und die Mikroorganismenkultur enthält den
Mikroorganismus DSM 11425 oder Mutanten oder Varianten dieses Mikroorganismus.
Der Abbau von Formaldehyd und Phenol während derselben Fermentation ist bei
gleichzeitigem Einsatz von DSM 11425 mit DSM 11423 und/oder DSM 11424 ebenfalls
möglich.
Die Mikroorganismen DSM 11423, DSM 11424 und DSM 11425 wurden am 21.02.1997
bei der DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen,
Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig - hinterlegt. Zu den physiologischen und
bakteriologischen Eigenschaften dieser Mikroorganismen wird auf die Tabellen 1 und 2
verwiesen.
Der Mikroorganismus DSM 11423 wurde aus einer formalingetränkten Gewebeprobe
isoliert und zunächst als Methylobacterium extorquens identifiziert. Bei Abbaufermen
tationen unter verschiedenen Bedingungen zeigt DSM 11423 eine maximale Abbau
geschwindigkeit für Formaldehyd von 1612 nmol/min*mg und eine Toleranzgrenze für
diesen Schadstoff von 10 mM. DSM 11423 besitzt die höchste Abbaugeschwindigkeit
und den kleinsten Ks-Wert der im Rahmen der Erfindung untersuchten formaldehyd
abbauenden Stämme (696 µM) und ist in der Lage, den Formaldehydgehalt eines
formaldehydbefrachteten Mediums durch Abbau auf nahezu Null zu reduzieren. Die
Schadstofftoleranz ist dagegen mit 10 mM (300 mg/l) gering. Der Abbau des Formal
dehyds erfolgt im ersten Schritt über eine Oxidation zu Ameisensäure, katalysiert durch
die glutathionabhängige Formaldehyddehydrogenase. Die spezifische Aktivität dieses
Enzyms im Rohextrakt ist mit etwa 1,6 lU/mg Protein sehr hoch.
Der Mikroorganismus DSM 11424 wurde ebenfalls aus einer formalingetränkten Gewe
beprobe isoliert und zunächst als Pseudomonas putida identifiziert. Bei Abbaufermen
tationen unter verschiedenen Bedingungen zeigte DSM 11424 eine maximale Abbau
geschwindigkeit für Formaldehyd von 784 nmol/min*mg und eine Toleranzgrenze für
diesen Schadstoff von 100 mM. DSM 11423 besitzt im Vergleich zu anderen unter
suchten formaldehydabbauenden Stämmen eine mittlere Abbaugeschwindigkeit aber
den höchsten Ks-Wert (11643 µM) und ist in der Lage, Formaldehyd auch noch bei
sehr hohen Konzentrationen abzubauen. Durch den hohen Ks-Wert läßt sich der Form
aldehydgehalt des Mediums durch Reinkulturen dieses Mikroorganismus auf ca.
200 mg/l reduzieren. Der Formaldehydabbau erfolgt wie bei DSM 11423 im ersten
Schritt über eine Oxidation zu Ameisensäure, katalysiert durch die glutathionabhängige
Formaldehyddehydrogenase. Die spezifische Aktivität dieses Enzyms im Rohextrakt ist
nur gering.
Der Mikroorganismus DSM 11425 wurde aus einer Bodenprobe isoliert und ist in der
Lage, Phenol mit einer gegenüber standorteigenen Mikroorganismen deutlich höheren
Abbaurate umzusetzen. Die partielle Sequenzierung der 16S-rRNA dieses Mikroorga
nismus ergab eine Ähnlichkeit von 99,1% zum Typ-Stamm Klebsiella oxytoca.
Der aerobe Phenolabbau erfolgt in einem ersten Schritt durch eine durch die Phenol
hydroxylase katalysierte NADH- bzw. NADPH-abhängige ortho-Hydroxylierung des
Phenols. Als Produkt entsteht dabei Catechol, ein zentrales Zwischenprodukt in den
meisten Aromatenabbauwegen. Catechol wird auf zwei Arten metabolisiert: zum einen
durch die chromosomencodierte ortho-Spaltung, zum anderen über die plasmidcodierte
meta-Spaltung, wobei die ortho-Spaltung durch ihr Produkt, cis,cis-Muconsäure und die
meta-Spaltung durch Phenol induziert wird. Die Expression der jeweiligen Enzyme läßt
sich im Rohextrakt anhand der unterschiedlichen Absorptionsmaxima der entstehenden
Produkte, cis,cis-Muconsäure (λmax = 260 nm) und 2-Hydroxymuconsäuresemialdehyd
(λmax = 375 nm), verfolgen. In Tabelle 3 werden die spezifischen Aktivitäten und
Michaeliskonstanten im Rohextrakt des Mikroorganismus DSM 11425 gezeigt. Die
kinetischen Parameter ganzer Zellen betragen 7-9 µM (Ks), 400-500 nmol/min*mg
(vmax) sowie 1,83 mM für die Hemmkonstante KSl.
In einer weiteren Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus
der Abbaufermentation abfließende Medium einer zweiten Abbaufermentation unterzo
gen, wobei der untere Schwellwert der Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter bei
der zweiten Abbaufermentation niedriger als bei der ersten Abbaufermentation liegt.
Eine Steigerung der Abbaueffizienz wird erreicht, indem die Schadstoffkonzentration in
dem ersten Fermenter unabhängig von der des zweiten Fermenters so eingestellt wird,
daß eine optimale Enzyminduktion und somit eine entsprechend hohe Abbauge
schwindigkeit erzielt wird. Die Schadstoffkonzentration im zweiten Fermenter wird dann
so eingestellt, daß die Schadstoffkonzentration im Ablauf dem vorgeschriebenen Ein
leitgrenzwert entspricht.
Vorzugsweise wird die Mikroorganismenkultur vor der Zugabe in das schadstoffbe
frachtete Medium in einem ein nährstoffreiches Medium enthaltenden Mutationsfer
menter kultiviert, einer mutagenen Behandlung unterzogen und stabilisiert und an
schließend in einem Selektionsfermenter, der ein nährstoffarmes, mit dem oder den
Schadstoffen angereichertes Medium enthält, einer Selektion unterzogen, wobei ein
Teil der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter kontinuierlich so
lange zurückgeführt wird, bis sich eine Mikroorganismenkultur mit der gewünschten
Schadstoffabbauleistung und Schadstofftoleranz etabliert hat.
Bei dieser Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abbau
fermentation ein Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen vorgeschaltet, das auf
dem Prinzip der evolutiven Optimierung beruht. Es wird hier auf das deutsche Patent
Nr. 195 07 103 des Anmelders verwiesen.
Die oben beschriebenen Mikroorganismen DSM 11423, DSM 11424 und DSM 11425
werden erfindungsgemäß zur Anzucht von Mutanten oder Varianten verwendet. Die
Anzucht kann beispielsweise durch Selektion spontan vorkommender Mutationen erfol
gen. Andere Möglichkeiten umfassen z. B. die Mutation durch Einwirkung chemischer
Stoffe und/oder radioaktiver Strahlung und/oder von UV-Licht. Dadurch können Mutan
ten und Varianten erhalten werden, die verbesserte Eigenschaften aufweisen, bei
spielsweise bezüglich der Schadstoffabbauleistung oder der Schadstofftoleranz.
Des weiteren werden die erfindungsgemäßen Mikroorganismen DSM 11423 und
DSM 11424 als Spenderorganismus für genetisches Material verwendet, insbesondere
zur Insertion eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase
codierenden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz in einen Mikroorga
nismus oder eine Zelle. Der Einbau des Gens in den Empfängerorganismus erfolgt mit
den in der Mikrobiologie üblichen Methoden, z. B. mit Hilfe eines Vektors. Durch Ex
pression des eingebauten Gens in dem Empfängerorganismus können größere Men
gen eines für den Schadstoffabbau relevanten Enzyms, beispielsweise der Formalde
hyddehydrogenase, produziert werden. Die vorgenannten Mikroorganismen werden
ebenfalls zur Gewinnung eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formalde
hyddismutase codierenden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz
zwecks Sequenzanalyse verwendet.
Die Biomasse, die man durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält,
läßt sich vorteilhaft zur In-situ-Bodensanierung verwenden, bei der die Schadstoffe von
abbaufähigen Mikroorganismen direkt im Boden abgebaut werden, ohne das Erdreich
abzutragen und damit die Bodenstruktur zu verändern.
Zur Lösung einer weiteren Aufgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchfüh
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die mindestens einen Abbau
fermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem oder den Abbau
fermentern enthält. In ihrer einfachsten Ausführungsform enthält die Vorrichtung einen
Abbaufermenter und die dazugehörigen Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentra
tion im Fermenter, es sind aber auch mehrere parallele Fermenter denkbar, die gleich
zeitig mit schadstoffbefrachtetem Medium beschickt und angeimpft werden können. Zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 werden zwei aufeinanderfolgende Ab
baufermenter vorgesehen, in denen die Schadstoffkonzentration unabhängig vonein
ander durch entsprechende Regelkreise eingestellt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 wird eine Vorrichtung bevorzugt,
die einen Mutationsfermenter zur Kultivierung, mutagenen Behandlung und Stabilisie
rung der Mikroorganismenkultur, einen Selektionsfermenter, Mittel zur Rückführung
eines Teils der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter, Mittel
zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem Selektionsfermenter, mindestens
einen Abbaufermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem
oder den Abbaufermentern enthält.
Das Wesen der Erfindung wird im folgenden anhand einiger Beispiele erläutert, ohne
die Erfindung darauf einzuschränken.
Ein Fermenter mit einem Reaktorvolumen größer als 10 l wird kontinuierlich mit einem
Krankenhausabwasser beschickt, welches Formaldehyd in schwankenden Konzentra
tionen zwischen 50 g/l und 200 g/l enthält. Außer Formaldehyd enthält das Wasser
verschiedene andere organische Stoffe. Dem Abwasser werden vor der Reaktoreinlei
tung folgende Medienkomponenten zugesetzt:
NH₄NO₃ 7,6 mM
K₂HPO₄/KH₂PO₄ 6,0 mM
MgSO₄*7H₂O 1,2 mM
CaCl₂ 0,9 mM
NaCI 0,5 mM
ZnSO₄ 0,1 mM
FeSO₄ 0,07 mM.
K₂HPO₄/KH₂PO₄ 6,0 mM
MgSO₄*7H₂O 1,2 mM
CaCl₂ 0,9 mM
NaCI 0,5 mM
ZnSO₄ 0,1 mM
FeSO₄ 0,07 mM.
Die eingeleitete formaldehydhaltige Lösung enthält aufgrund ihrer hohen Toxizität keine
lebensfähigen Mikroorganismen, sie wird jedoch sicherheitshalber vor dem Einleiten
einer UV-Strahlung in letaler Dosis ausgesetzt. Der Reaktor wird mit einer Mischkultur
angeimpft, die die Mikroorganismen DSM 11423 und DSM 11424 enthält.
Das Verfahren wird im Bereich von pH 5,0 bis 8,5 und unter pO₂-Regulierung bis zu
10% der maximalen Sauerstoff-Sättigungskonzentration des Abwassers geführt. Die
Abbaufermentation erfolgt bei Temperaturen zwischen 5 und 45°C, insbesondere zwi
schen 22 und 30°C. Die Kulturführung erfolgt aerob, kontinuierlich und in toxinostati
schem Betrieb: Die Formaldehydkonzentration im Reaktor wird kontinuierlich gemessen
und durch Regelung des Zuflusses zwischen einem oberen Schwellwert und einem
unteren Schwellwert konstant gehalten. Diese Schadstoffkonzentration erfordert von
den Mikroorganismen eine relativ hohe Schadstofftoleranz. Der mikrobielle Formalde
hydabbau bewirkt, daß die Differenz zwischen der Schadstoffkonzentration des in die
Anlage eingeleiteten Abwassers und der Konzentration im Ablauf sehr hoch ist. Das
aus dem Reaktor abfließende Wasser enthält eine Restkonzentration an Formaldehyd,
welche in einem Nachklärbecken mikrobiell restlos abgebaut wird.
Ein großtechnischer Fermenter wird kontinuierlich mit einem industriellen Abwasser aus
der Bakelit-Produktion beschickt, welches Formaldehyd in schwankenden Konzentra
tionen zwischen 8 g/l und 12 g/l enthält. Außer Formaldehyd enthält das Abwasser
Phenol in einer Konzentration von 40 g/l und verschiedene andere organische Kompo
nenten. Dem Abwasser werden vor der Reaktoreinleitung die oben angegebenen
Medienkomponenten zugesetzt. Die eingeleitete formaldehyd- und phenolhaltige Lö
sung enthält aufgrund ihrer hohen Toxizität keine lebensfähigen Mikroorganismen, sie
wird jedoch sicherheitshalber vor dem Einleiten einer UV-Strahlung in letaler Dosis aus
gesetzt.
Der Reaktor wird mit einer Mischkultur angeimpft, die die Mikroorganismen DSM 11423,
DSM 11424 und DSM 11425 enthält. Das Abbauverfahren erfolgt wie oben angegeben.
Die Formaldehydkonzentration im Reaktor wird kontinuierlich gemessen und durch
Regelung des Zuflusses zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren
Schwellwert konstant gehalten. Diese Schadstoffkonzentration erfordert von den
Mikroorganismen eine relativ hohe Schadstofftoleranz. Der mikrobielle Formaldehydab
bau bewirkt, daß die Differenz zwischen der Schadstoffkonzentration des in die Anlage
eingeleiteten Abwassers und der Konzentration im Ablauf sehr hoch ist. Simultan zum
Formaldehydabbau erfolgt im Reaktor ein mikrobiologischer Phenolabbau. Das aus
dem Reaktor abfließende Wasser enthält eine Restkonzentration an Formaldehyd
und/oder Phenol, welche in einem Nachklärbecken mikrobiell abgebaut wird.
Jeweils 10 ml Medium mit der Zusammensetzung
Pepton Nr. 5 5,0 g/I
Fleischextrakt 3,0 g/l
pH 7,0
werden mit 0,1 g in Formalin gelagertem formalinhaltigem Gewebe anatomischer Prä parate verschiedener Probenahmestellen in 50 ml Erlenmeyerkolben bei 30°C unter leichtem Schwenken auf einer Rotationsschüttelmaschine 24 Stunden lang inkubiert. Jeweils 250 µl dieser Kultur werden in 5 ml Mineralmedium mit Formaldehyd als einzi ger Kohlenstoffquelle mit der folgenden Zusammensetzung überimpft:
Pepton Nr. 5 5,0 g/I
Fleischextrakt 3,0 g/l
pH 7,0
werden mit 0,1 g in Formalin gelagertem formalinhaltigem Gewebe anatomischer Prä parate verschiedener Probenahmestellen in 50 ml Erlenmeyerkolben bei 30°C unter leichtem Schwenken auf einer Rotationsschüttelmaschine 24 Stunden lang inkubiert. Jeweils 250 µl dieser Kultur werden in 5 ml Mineralmedium mit Formaldehyd als einzi ger Kohlenstoffquelle mit der folgenden Zusammensetzung überimpft:
NH₄NO₃ 7,6 mM
K₂HPO₄/KH₂PO₄ 6,0 mM
MgSO₄*7H₂O 1,2 mM
CaCl₂ 0,9 mM
NaCl 0,5 mM
ZnSO₄ 0,1 mM
FeSO₄ 0,07 mM
Formaldehyd 2,0 mM
pH 7,0.
K₂HPO₄/KH₂PO₄ 6,0 mM
MgSO₄*7H₂O 1,2 mM
CaCl₂ 0,9 mM
NaCl 0,5 mM
ZnSO₄ 0,1 mM
FeSO₄ 0,07 mM
Formaldehyd 2,0 mM
pH 7,0.
Nach dreitägiger Inkubation wird die Kultur in 150 ml des obengenannten Mediums
überführt. Nach weiterer viertägiger Inkubation wird eine Verdünnungsreihe sowie eine
Teilcharakterisierung der entstandenen Kolonien durchgeführt. Diese Kultur dient als
Animpfkultur für die folgende toxinostatische Fermentation.
Über einen längeren Zeitraum wird in einem kontinuierlich-toxinostatisch geführten
Fermentationsprozeß eine Mischkultur unter periodischer Ultraviolettbestrahlung opti
miert. Die dabei im Fermenter über einen Regelkreis eingestellte Formaldehydkonzen
tration wird während dieses Zeitraumes in Abhängigkeit von der Vitalität der Gesamtkul
tur sukzessive erhöht.
Zu verschiedenen Fermentationszeitpunkten werden Proben aus dem Fermenter ent
nommen und einer mikrobiologischen Untersuchung nach den üblichen Methoden un
terzogen. Wenn keine Steigerung der Abbauleistung und Resistenz mehr beobachtet
werden kann, wird die Kultur geerntet und zum Animpfen einer Abbaufermentation
entsprechend dem Beispiel 1 eingesetzt.
Die ursprünglich selektierten Stämme weisen eine für natürlich vorkommende Mikro
organismen sehr hohe Formaldehydresistenz von 500-6000 mg/l Formaldehyd auf. Im
Verlauf der Fermentation können Resistenz und Abbauraten der ursprünglichen Kultur
noch um jeweils ca. den Faktor 10 gesteigert werden.
Ein Produktionsbetrieb verklebt seine Erzeugnisse mit formaldehyd- und phenolhaltigen
Klebstoffen. Die Klebemittelrückstände werden gesammelt und regelmäßig zu einer
zentralen biologischen Entsorgungseinrichtung transportiert. Hier werden die Abfälle
gemeinsam mit anderen flüssigen formaldehyd- und/oder phenolhaltigen Abfallchargen
aus unterschiedlichen Quellen biologisch entsorgt. Der der Anlage zugeführte Abfall
strom schwankt aufgrund der Heterogenität der zugeführten Abfallchargen in Bezug auf
die Formaldehyd- und Phenolkonzentration sehr stark.
Der Phenolindex und die Formaldehydkonzentration werden im Bioreaktor der Entsor
gungsanlage "on-line" und kontinuierlich gemessen. Erreicht einer der beiden Meßpa
rameter die zulässige obere Grenzkonzentration, wird die Schadstoffzuführung in den
Reaktor gestoppt, bis der obere Schwellwert wieder unterschritten wird. Fällt der
Phenolindex und/oder die Formaldehydkonzentration auf einen festgelegten unteren
Konzentrationswert, wird durch Erhöhung der Durchflußrate oder durch zusätzliche Zu
dosierung des jeweils limitierten Schadstoffes diese wieder über den unteren Schwell
wert angehoben. Auf diese Weise kann trotz Beschickung des Bioreaktors mit qualitativ
höchst unterschiedlichen Abwasserchargen eine optimal abbauende Spezialkultur sta
bilisiert werden.
Die formaldehydbelastete Luft in der Umgebung einer Produktions- und Verarbei
tungsstätte muß gereinigt werden, um unter die zulässigen MAK-Werte in der Luft zu
kommen. Die Formaldehydbelastungen in der Luft schwanken. Zur Reinigung der Luft
wird ein Luftwäscher eingesetzt, der den gasförmigen Formaldehyd vom Medium Luft in
das Medium Wasser transferiert. Das formaldehydbelastete Waschwasser wird an
schließend einer toxinostatisch geregelten biologischen Klärstufe zugeführt, wo der
Formaldehyd biologisch eliminiert wird. Anschließend wird das so regenerierte Wasch
wasser wieder der Luftwäscheranlage zugeführt, um erneut Formaldehyd aus der Luft
aufzunehmen.
Große Mengen phenolbelasteter Abwässer fallen bei der Sanierung von ehemaligen
Lagerstätten des Braunkohletagebaus an. Während dieser Sanierung wird Grund- und
Niederschlagwasser mit Phenolen verunreinigt. Der Verschmutzungsgrad liegt in der
Regel zwischen 500-1500 mg/l Phenolindex und der Abwasservolumenstrom pro Sanie
rungsstandort zwischen 100 000 und 200 000 m³/Jahr. Die relativ kontinuierlich anfal
lenden Abwasserströme werden einer mehrstufigen Behandlungsanlage zugeführt,
deren zentrale und wichtigste Komponente ein toxinostatisch betriebener Bioreaktor mit
einem Arbeitsvolumen von 10 m³ ist. Hier werden die im Abwasser enthaltenen Phe
nole bis zu einer unteren Grenzkonzentration eliminiert. Die restliche Phenolbelastung
wird in einer weniger energieintensiven Tropfkörperbiologie abgebaut.
Glutaraldehyd wird im Krankenhausbereich zur Reinigung und Desinfektion von Ar
beitsflächen verwendet. Ablaufendes, mit Glutaraldehyd kontaminiertes Waschwasser
wird einem toxinostatisch (Regelgröße ist die Glutaraldehydkonzentration) betriebenen
Reaktor mit einem Arbeitsvolumen von 1 m³ zugeführt. Glutaraldehyd wird im Reaktor
zu einem großen Teil biologisch eliminiert und das Waschwasser anschließend weiter
behandelt.
Ein mit Benzol verunreinigter Boden wird in einer Bodenwaschanlage gereinigt. Das mit
Benzol belastete Waschwasser wird einem toxinostatisch betriebenen Bioreaktor
(Regelgröße ist die Benzolkonzentration) zugeführt. Nach der biologischen Beseitigung
eines Großteils des Benzols im Waschwasser wird dieses erneut zur Bodenwäsche
verwendet.
Während einer In-situ-Bodensanierung fällt ein mit verschiedenen polyaromatischen
Kohlenwasserstoffen (PAK) belasteter Grundwasserstrom an. Dieser wird über Grund
wasserlanzen mit Hilfe von Saugpumpen zu Tage befördert und einer toxinostatisch
betriebenen biologischen Klärstufe zugeführt. Dem Bioreaktor wird kontinuierlich ein
Probenstrom entnommen und dieser kontinuierlich über Hochdruckflüssigkeit
schromatographie (HPLC) gekoppelt mit Fluoreszenzchromatographie auf Qualität und
Quantität der enthaltenen verschiedenen PAK analysiert. Als Regelgröße der toxino
statischen Regelung wird zu jedem Zeitpunkt die jeweils im Gesamtspektrum der PAK
am höchsten konzentrierte PAK-Spezies herangezogen.
Claims (17)
1. Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteten
Medien bei der Luft-, Abwasser- oder Bodenreinigung, bei dem eine kontinuierliche Ab
baufermentation unter Einsatz von in dem schadstoffbefrachteten Medium vorhan
denen Mikroorganismen und/oder einer dem Medium zugesetzten Mikroorganismenkul
tur in einem Abbaufermenter durchgeführt wird, wobei während der Abbaufermentation
die Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter mit Hilfe eines Regelkreises gesteuert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schad
stoffkonzentration im Abbaufermenter zwischen einem oberen und einem unteren
Schwellwert konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schad
stoffkonzentration im Abbaufermenter in Abhängigkeit von der Vitalität der Biomasse
gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der untere Schwellwert der Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter nicht unter
der Ökotoxizitätsgrenze von im Abbaufermenter eventuell vorhandenen, zum Schad
stoffabbau jedoch nicht beitragenden Mikroorganismen liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das schadstoffbefrachtete Medium Formaldehyd enthält und daß die zugesetzte
Mikroorganismenkultur Formaldehyd abbauende Mikroorganismen, insbesondere
DSM 11423 und/oder DSM 11424 oder Mutanten oder Varianten dieser Mikroorganis
men enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das schadstoffbefrachtete Medium Phenole enthält und daß die Mikroorganismen
kultur Phenol abbauende Mikroorganismen, insbesondere den Mikroorganismus
DSM 11425 oder Mutanten oder Varianten dieses Mikroorganismuses enthält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das aus der Abbaufermentation abfließende Medium einer zweiten Ab
baufermentation unterzogen wird, wobei der untere Schwellwert der Schadstoffkonzen
tration im Abbaufermenter bei der zweiten Abbaufermentation niedriger als bei der
ersten Abbaufermentation liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß vor der Zugabe in das schadstoffbefrachtete Medium die Mikroorganis
menkultur in einem ein nährstoffreiches Medium enthaltenden Mutationsfermenter kul
tiviert, einer mutagenen Behandlung unterzogen und stabilisiert wird und anschließend
in einem Selektionsfermenter, der ein nährstoffarmes, mit dem oder den Schadstoffen
angereichertes Medium enthält, einer Selektion unterzogen wird, wobei ein Teil der Kul
tur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter kontinuierlich so lange zu
rückgeführt wird, bis sich eine Mikroorganismenkultur mit der gewünschten Schadstoff
abbauleistung und Schadstofftoleranz etabliert hat.
9. Mikroorganismus DSM 11423.
10. Mikroorganismus DSM 11424.
11. Mikroorganismus DSM 11425.
12. Verwendung eines Mikroorganismus nach einem der Ansprüche 9 bis 11
zur Anzucht von Mutanten oder Varianten derselben.
13. Verwendung eines Mikroorganismus nach Anspruch 9 oder 10 als Spen
derorganismus für genetisches Material, insbesondere zur Insertion eines eine Formal
dehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase codierenden Gens und/oder der
dazugehörigen Promotorsequenz in einen Mikroorganismus oder eine Zelle.
14. Verwendung eines Mikroorganismus nach Anspruch 9 oder 10 zur Ge
winnung eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase codie
renden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz.
15. Biomasse, erhalten durch Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 8.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Abbaufermenter und Mittel
zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem oder den Abbaufermentern enthält.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen Mutationsfermenter zur Kultivierung, mutagenen Be
handlung und Stabilisierung der Mikroorganismenkultur, einen Selektionsfermenter,
Mittel zur Rückführung eines Teils der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Muta
tionsfermenter, Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem Selektionsfer
menter, mindestens einen Abbaufermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkon
zentration in dem oder den Abbaufermentern enthält.
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