DE19930544B4 - Verfahren zum enzymatischen Abbau von halogenorganischen Schadstoffen in festen und wäßrigen Systemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zum enzymatischen Abbau von halogenorganischen Schadstoffen in wäßrigen und festen Systemen, insbesondere von Chlororganika, wie z. B. Polychlorbiphenylen (PCB) und Dichlordiphenyl-Xenobiotika (DDX), unter Verwendung eines Rettich-Homogenisates oder von Rettichsaft und Wasserstoffperoxid.

Description

• Die Erfindung betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zum enzymatischen Abbau von halogenorganischen Schadstoffen in wäßrigen und festen Systemen, insbesondere von Chlororganika, wie z. B. Polychlorbiphenylen (PCB) und Dichlordiphenyl-Xenobiotika (DDX), unter Verwendung eines Rettich-Homogenisates oder von Rettichsaft und Wasserstoffperoxid.
• Die Sanierung von Altlasten wäßriger oder fester Natur, die Halogenkohlenwasserstoffe enthalten, stellt gegenwärtig ein großes Problem dar. Bislang werden zur Behandlung schadstoffhaltiger Materialien thermische Verfahren und Deponierung favorisiert. Die thermische Entsorgung halogenhaltiger Schadstoffe birgt die Gefahr der Bildung neuer hochgiftiger Verbindungen in sich. Zwar sind heute die technischen Entwicklungen zur Abgaswäsche so effektiv, daß Schadstoffemissionen auf ein Minimum reduziert werden können, doch finden die Techniken weiterhin wenig Akzeptanz in der Öffentlichkeit. Außerdem sind die Energiebilanzen dieser Prozesse ungünstig und machen sie deshalb zu kostenintensiven Verfahren. Mit der Deponierung werden die Probleme einer endgültigen Schadstoffentsorgung nur zeitlich hinausgeschoben.
• Die Entsorgung Halogenkohlenwasserstoff-haltiger Verbindungen mittels Mikroorganismen erfolgt seit ca. 30 Jahren. So sind eine ganze Reihe von Mikroorganismen in der Lage, Xenobiotika abzubauen, u.a. eine Folge der Anpassung an ihren Lebensraum. So hat sich selbst für bestimmte Halogenverbindungen ein biologisches Abbaupotential herausgebildet. Für den biologischen Abbau müssen jedoch bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden, d.h. es müssen physiologische Bedingungen herrschen, die sich durch Parameter wie pH-Wert, bioverfügbare Nährstoffe, geeignete Temperatur und Redoxpotential auszeichnen. Wenn Mikroorganismen gezielt zum Abbau von Schadstoffen eingesetzt werden sollen, müssen eine Reihe von vorbereitenden Prozessen stattfinden bis eine ausreichende Menge an aktiven Organismen zur Verfügung steht. Aufwendige Prozeduren wie Isolierung geeigneter Mikroorganismen (bei bekannter Abbauleistung), Kultivierung unter sterilen Bedingungen, Adaption an die jeweilige Schadstoffmatrix und Substrat sowie Einhaltung der physiologischen Lebensbedingungen während der Abbauprozesse führen meist zu arbeits- und damit kostenintensiven Verfahren.
• Darüber hinaus sind viele Mikroorganismen entsprechend ihrer Aufgabe innerhalb des Ökosystems nicht in der Lage, Schadstoffe total abzubauen. Für den Abbau der gebildeten Zwischenprodukte sorgen dann andere Organismen. Die Herausbildung ganzer Zönosen von Mikroorganismen mit symbiotischer Wechselwirkung ist die Folge. Prinzipiell kann der Abbau mit aerob (meist oxidativer Abbau), anaerob wachsenden Bakterien (reduktiver Abbau) und Pilzen (sekundärmetabolischer oxidativer Abbau) erfolgen.
• Ein anderer Ansatz ist der mikrobielle Abbau mit Weißfäulepilzen. Weißfäulepilze sind in der Lage, ligninartige Strukturen (z.B. Biphenyle, Alkoxyaromaten, hydroxilierte Aromaten, Ether) abzubauen. Besonders gut untersucht ist der Weißfäulepilz Phanerochaete chrysosporium. Diese Organismen benutzen für den Metabolismus von Lignin ein extrazelluläres Enzymsystem, bestehend aus verschiedenen Peroxidasen (Manganperoxidase (EC 1.11.1.14), Ligninperoxidase (EC 1.11.1.13) Katalase (EC 1.11.1.6) und Laccase (EC 1.10.3.2)). Aufgrund der unspezifischen Wirkungsweise der am Ligninabbau betei ligten Enzyme wurde Phanerochaete chrysosporium für den Abbau von polychlorierten Biphenylen (PCB) eingesetzt.
• Versuche mit Enzymen, die aus dem Pilz isoliert wurden, führten zur Mineralisierung von 2,7-Dichlorbenzodioxin. Die ablaufenden Prozesse, wie die oxidative Etherspaltung und Dechlorierungsreaktionen, sind beschrieben worden. Die Dibenzodioxine bzw. -furane werden nach Hydroxylierung an der Etherbrücke aufgespalten. Die entstehenden 2,2',3-Trihydroxybiphenylstrukturen und entsprechende Ether werden durch weitere Oxygenierungsschritte im aromatischen System in Nachbarstellung zur Ether- bzw. Biphenylbindung gespalten [Frigge K et al.: Z. Umweltchem. Ökotox. 5, 122 (1993)]. Ab diesem Reaktionsschritt sind die Abbauvorgänge mit denen von Biphenylen vergleichbar und führen zur vollständigen Mineralisierung.
• Bekannte Nachteile beim Einsatz von Peroxidasen sind Kondensationsprozesse, die zur Bildung hochtoxischer PCDD aus Trichlorphenol führen können [Wagner HC, Schramm KW, Hutzinger O.: Z. Umweltchem. Ökotox. 2, 63 (1990)].
• Bekannt ist auch, daß Merrettich-Peroxidase (M-POD) in der Lage ist, aromatische ligninartige Verbindungen wie z.B. Biphenylstrukturen in PCB zu Radikalen zu oxidieren. Versuche zur Behandlung von 4-Chlorphenol mit M-POD führten zwar zu Polymerisationsreaktionen und zum Ausfallen der Polymerisate aus der Reaktionslösung, jedoch höhere Konzentrationen an Chlorphenolen führten auch zur Bildung der hochtoxischen PCDD. Dies wurde nach eingehender Untersuchung der Metabolite nachgewiesen [Wagner HC, Schramm KW, Hutzinger O.: Z. Umweltchem. Ökotox. 2, 63 (1990)].
• Der Einsatz der M-POD ist außerdem teuer. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Enzymaktivität einer M-POD-Lösung innerhalb weniger Stunden auf 10% der Ausgangsaktivität absinkt.
• Aus US 5,178,762 ist die Behandlung von kontaminierten Substanzen mit Sojabohnenperoxidase und Wasserstoffperoxid bekannt. Zu dekontaminierende Substanzen sind neben Phenolen, aromatischen Aminen und Schwermetallen auch adsorbierbare organische Halogene (AOX). Dieses Verfahren hat jedoch ebenfalls den Nachteil, daß die Enzymaktivität schnell abnimmt.
• Somit benötigen bei längeren Reaktionszeiten sowohl die Verfahren mit M-POD als auch das Verfahren mit Sojabohnen-POD ständig Enzymzugaben, um die sinkende Enzymaktivität während des Schadstoff-Abbaus auszugleichen.
• Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum enzymatischen Abbau von halogenorganischen Schadstoffen in wäßrigen und festen Systemen bereitzustellen, das kostengünstig ist und ein effizienteres Arbeiten gewährleistet.
• Diese Aufgabe konnte durch Verwendung von Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft von Raphanus sativus in Kombination mit Wasserstoffperoxid gelöst werden. Überraschenderweise hat sich hier gezeigt, daß die Enzymaktivität bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt. Sie ist mindestens bis zu einer Woche konstant und erreicht sogar erst nach ca. 3 Wochen 10% der Ausgangsaktivität.
• Der Rettichsaft kann auch aus dem Homogenisat gewonnen werden, der allein oder ggf. auch gemischt mit den abgetrennten festen Bestandteilen in Kombination mit dem Wasserstoffperoxid in gleicher Weise für den Abbau von halogenorganischen Verbindungen verwendet werden kann.
• Besonders bevorzugt sind das Rettich-Homogenisat/der Rettichsaft des Winterrettichs (Raphanus sativus L.), des Ölrettichs (Raphanus sativus oleiformis), des Monatsrettichs (Raphanus sativus sativus) oder des Chinarettichs.
• Das Rettich-Homogenisat wird nach an sich bekannten Techniken durch Zerschneiden der Rettichwurzel und anschließendes Entsaften der Stücke hergestellt.
• Hierzu können beispielsweise Entsafter oder andere dem Fachmann gut geläufige Gerätschaften eingesetzt werden.
• Der Rettichsaft kann nach dem Homogenisieren des Rettichs durch anschließende Zentrifugation gewonnen werden.
• Erfindungsgemäß werden die mit den halogenierten Verbindungen behafteten festen und wäßrigen Systeme mit dem Rettich-Homogenisat oder dem Rettichsaft in Kombination mit Wasserstoffperoxid behandelt. Es kann anstelle des Homogenisates auch ein Gemisch aus Rettichsaft und festem Rückstand eingesetzt werden.
• Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft und H₂O₂ werden in einem geeigneten molaren Verhältnis eingesetzt, wobei das Wasserstoffperoxid in mindestens 80-fachem Überschuß zur Peroxidase im Rettich-Homogenisat bzw. im Rettichsaft eingesetzt wird.
• Das Mischungsverhältnis beträgt von 1:70 – 1:130. Vorzugsweise beträgt das reaktive Mischungsverhältnis zwischen dem Rettich-Homogenisat bzw. dem Saft und dem Wasserstoffperoxid 1:100. Dieses Verhältnis wird während der Reaktionsdauer ggf. durch Zugabe von Wasserstoffperoxid konstant gehalten.
• Im Sinne der Erfindung sind unter festen Systemen, die mit halogenorganischen Schadstoffen behaftet sind, kontaminierte Böden, Deponiegut und Sedimente aus Überflutungszonen von Flüssen und Seen oder abgelagerte Schlämme aus Oberflächenwasserreinigungsverfahren (Entschlammung) zu verstehen.
• Wäßrige Systeme sind im Sinne der Erfindung stark belastete wäßrige Abproduktströme, wie z.B. Grundwässer im Umfeld von Produktionsanlagen, aber auch Produktionswässer, Flüsse, Seen, sowie Kläranlagen der Produktion von Polychlorbiphenylen (PCB) und Dichlordiphenyl-Verbindungen (DDX).
• Die wäßrigen Systeme werden durch einfache Zugabe des Rettich-Homogenisates oder des Saftes und des Wasserstoffperoxids behandelt.
• Die Behandlung von mit den Schadstoffen kontaminierten Böden, Sedimenten und Schlämmen erfolgt durch Aufschlämmen mit Rettich-Homogenisat und Wasserstoffperoxid. Besonders vorteilhaft ist zur Behandlung der festen Systeme der Rettichsaft einsetzbar.
• Die vorteilhaft eingesetzte Enzymmenge an Peroxidase beträgt für 30 g zu dekontaminierendes Material zwischen 5 U und 10 U in 15 ml Homogenisat.
• Der pH-Wert wird während der Reaktion bevorzugt zwischen 5 und 8 gehalten. In einer Ausführungsvariante der Erfindung werden deshalb ggf. Puffer, beispielsweise Phosphat-, Citrat- oder andere geläufige Puffer, zugegeben.
• Die bevorzugten Reaktionstemperaturen liegen bei 20 bis 50 °C, vorzugsweise bei Umgebungstemperatur.
• Mit dem erfindungsgemäßen oxidativen Abbauverfahren können jegliche halogenorganische Verbindungen abgebaut werden, insbesondere mehrfach halogenierte Verbindungen. Insbesondere werden Halogenkohlenwasserstoffe abgebaut, wie beispielsweise Chlororganika, insbesondere Polychlorbiphenyle (PCB) und Dichlordiphenyl-Verbindungen (DDX).
• Der Abbau erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders schnell. So sind beispielsweise im Fall der niederchlorierten Biphenyle bereits nach ca. 45 Stunden über 90% der Schadstoffe abgebaut.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die verwendeten Rettich-Homogenisate, insbesondere aus Winterrettich Raphanus sativus L., ca. 30mal billiger sind als ein , kommerziell erhältliches isoliertes POD-Enzympräparat.
• Desweiteren ist die Durchführung des Verfahrens einfacher. Da die Abbaureaktionen bei geeigneter Homogenisat- oder Saftkonzentration (0,15 U/ml) innerhalb kurzer Zeit (< 500 Stunden) ablaufen, müssen nicht unbedingt sterile Arbeitsbedingungen eingehalten werden. Zum anderen sind durch die langanhaltende Enzymaktivität längere Reaktionszeiten ohne Enzymzuführungen möglich.
• Zudem garantiert der Einsatz des Rettich-Homogenisates physiologische Bedingungen für die Enzyme und Zellen z.B. bezüglich Nährstoffgehalt und pH-Wert.
• Das Verfahren ist umweltschonend, da es naturidentische Komponenten (Rettich-Homogenisat) als Biokatalysator und Wasserstoffperoxid als oxidierendes Reagenz verwendet.
• Die zur Oxidation genutzte Wasserstoffperoxid-Lösung ist ebenfalls ein billiges Reagenz, und darüber hinaus ist Wasserstoffperoxid ein chemisch stabiles, schnell in Wasser und Sauerstoff zerfallendes Molekül, so daß bei seiner Anwendung in der Umwelt kein Schaden entsteht. Desweiteren existiert für diese Verbindung auch ein natürliches Abbaupotential, da es in der Natur von verschiedenen Organismen produziert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine naturnahe Schadstoffentsorgung dar. Das Verfahren ist nicht mit dem Einsatz lebender Spezies verknüpft, so daß eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung steriler physiologischer Kultivierungsbedingungen nicht nötig ist.
• Da es sich bei dem Verfahren um chemische Reaktionen mit biochemischer Katalyse handelt, sind die Bedingungen einfach einstellbar und lassen schnell Korrekturen zu, was beim Einsatz kompletter Organismen nicht möglich ist.
• Anschließend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne sie darauf zu beschränken.
• Beispiel
• Zu 20 ml einer Lösung bestehend aus 0,1 M Phosphatpuffer (pH 7) und 25 μM Wasserstoffperoxid werden 4 μg eines PCB-Gemisches Arochlor^TM 1248 (industriell hergestelltes PCB-Gemisch bestehend aus 50–100 verschiedenen Kongeneren mit einem Chloranteil von 48%) gegeben, so daß die Gesamtkonzentration der PCB-Kongenere 0,2 μg/ml beträgt. Die Reaktion wird durch Zugabe von 2 mg Winterrettich-Homogenisat Raphanus sativus gestartet.
• Nach 20, 44 und 140 Stunden wurde eine Produktanalyse mit GC/MS vorgenommen. Bereits nach 20 Stunden wurde nur noch die Hälfte der PCB-Ausgangskonzentration gemessen, nach 44 Stunden war eine Abnahme der PCB-Konzentration um über 90% zu verzeichnen ebenso nach 140 Stunden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Abbau von halogenorganischen Schadstoffen in festen und wäßrigen Systemen, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaminierten Systeme mit Wasserstoffperoxid und einem Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft von Raphanus sativus behandelt werden, wobei das Wasserstoffperoxid in mindestens 80-fachem Überschuß zur Peroxidase im Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft eingesetzt wird und das Verhältnis von Wasserstoffperoxid zu Peroxidase im Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft während des Abbaus konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Winterrettich (Raphanus sativus L.), Ölrettich (Raphanus sativus oleiformis), Monatsrettich (Raphanus sativus sativus) oder Chinarettich einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das molare Verhältnis von Peroxidase im Rettich-Homogenisat oder Rettichsaft zu Wasserstoffperoxid auf 1:100 einstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein pH-Wert von 5 bis 8 eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Chlororganika, vorzugsweise Polychlorbiphenyle (PCB) und Dichlordiphenyl-Verbindungen (DDX) abgebaut werden.