DE4212479A1 - Hexachlorcyclohexan und andere mehrfach chlorierte zyklische Kohlenwasserstoffe abbauende Mikroorganismen - Kulturen, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mikroorganismen-Kulturen, insbesonde­ re Mischkulturen, die befähigt sind, schwer metabolisierbare chlorierte zyklische Kohlenwasserstoffe wie z. B. Hexachlor­ cyclohexan biologisch abzubauen, Verfahren zur Gewinnung und Züchtung solcher Kulturen sowie deren Verwendung zur Reini­ gung von Umweltkompartimenten, die durch entsprechende Chlororganika kontaminiert sind.

Aufgrund des langjährigen Einsatzes technischen Hexachlorcy­ clohexans (HCH) als Insektizid in der Land- und Forstwirt­ schaft und der Persistenz einiger Isomeren dieser Verbindung gelten entsprechend belastete Böden seit geraumer Zeit als Problemfälle. Gleiches gilt für die bei der Lindan-Herstel­ lung anfallenden Prozeßabwässer, aber auch für die im allge­ meinen freien Verkippungen von HCH-Abfallisomeren aus der ehemaligen Lindan-Produktion bzw. die dadurch kontaminierten Sickerwässer.

Die gegenwärtig anwendbaren Sanierungs- und Entsorgungsstra­ tegien wie z. B. Isolierung betroffener Gebiete, Deponierung als Sonderabfall sowie Hochtemperaturverbrennung sind oft­ mals wegen einsetzender Mobilisierung der Schadstoffe nicht realisierbar bzw. als Problemlösung kaum akzeptabel. Beson­ ders letztgenanntes Verfahren ist wegen der dabei auftreten­ den relativ hohen Dioxin-Emissionen sehr umstritten.

Die Entfernung des gelösten Hexachlorcyclohexans mittels verfahrenstechnischer Grundoperationen stellt im wesentli­ chen nur eine Problemverlagerung dar. Eine biologische Reinigung dieser Wässer gilt hingegen als kaum praktizier­ bar, da infolge seiner Stoffeigenschaften HCH für etwaig vorhandene spezialisierte Mikroorganismen nur schwer verfüg­ bar ist bzw. HCH als alleinige Kohlenstoffquelle für die Stoffwechselprozesse kaum ausreicht. Abgesehen davon wirken einige Metaboliten bakterientoxisch.

Die prinzipielle mikrobielle Abbaubarkeit z. B. der Beta- und Delta-Isomeren des Hexachlorcyclohexan ist gegenwärtig umstritten. In entsprechend kontaminierten Böden wurden für die Konzentrationen genannter Isomeren Halbwertzeiten von mehr als 15 Jahren festgestellt.

Es ist bekannt, daß zumindest über kurze Zeiträume Alpha- und Gamma-HCH z. B. durch Pseudomonaden metabolisiert werden können. Dabei wird oftmals eine abnehmende Aktivität der Mikroorganismen, aber auch Isomerisierung festgestellt. Das Problem liegt offenbar darin begründet, daß zur Aufrechter­ haltung von für die Mikroorganismen optimalen Milieubedin­ gungen und zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit der Anhäufung von ebenfalls schwer abbaubaren "dead-end-Produk­ ten" während des Abbaus von Hexachlorcyclohexan eine aufein­ ander abgestimmte Mischpopulation verfügbar sein muß. Theo­ retisch könnte eine solche Mischpopulation durch die zu­ nächst getrennt durchgeführte Adaptation von verschiedenen Einzelkulturen an die niedriger substituierten ringförmigen chemischen Verbindungen (z. B. als wahrscheinlich anzunehmen­ de Spaltprodukte des HCH) und die anschließende Vereinigung der Einzelkulturen sowie Adaptation an die abzubauenden Substanzen erhalten werden. Für den biologischen Abbau von einzelnen Hexachlorcyclohexan HCH-Isomeren zumindest bis zur Stufe der niedrig substituierten Benzole ist derzeit von mehr als 40 Spaltprodukten auszugehen. In Anbetracht dessen ist die Isolation, Selektion und Adaptation der notwendigen Ausgangskulturen an die wichtigsten Metaboliten außerordent­ lich aufwendig. Erfahrungsgemäß nimmt auch die Leistungsfä­ higkeit von Reinkulturen in der Mischpopulation bzw. bei der praktischen Anwendung enorm ab. Daher ist auch die Gewinnung solcher sehr fragwürdig. Vielmehr scheint es sinnvoll, dieses komplizierte, im Verlaufe von vielen Jahren durch Anpassungs- und Auslesevorgänge entstandene Organismensystem aus geeigneten natürlichen Proben zu gewinnen, selbiges u. U. in seiner Leistungsfähigkeit zu steigern und an praktisch vorliegendes Substrat zu adaptieren.

Es wurde nun gefunden, daß spezielle Mikroorganismen-Kultur­ en in der Lage sind, persistente chlorhaltige ringförmige Verbindungen wie z. B. auch Beta- und Delta-HCH mit über lange Zeiträume gleichbleibender Aktivität zu metabolisie­ ren, wobei diese Mikroorganismen-Kulturen durch aerobes oder anaerobes Züchten von Mikroorganismen enthaltenden Proben in einem Temperaturbereich von 15 bis 40°C in einem Mineral­ medium erhältlich sind. Dieses Mineralmedium beinhaltet als einzige Kohlenstoffquelle zur Vermehrung der Mikroorganismen ein bzw. mehrere der Isomeren der schwer abbaubaren chemi­ schen Verbindung Hexachlorcyclohexan. Der Begriff "als einzige Kohlenstoffquelle" soll hierbei nicht ausschließen, daß den Kulturen leichter abbaubare bzw. als wahrscheinlich anzunehmende Abbauprodukte des HCH oder niedriger substitu­ ierte bzw. die entsprechenden chlorfreien zyklischen Sub­ stanzen zugeführt werden können. Ein solcher Zusatz wirkt sich in vielen Fällen sogar vorteilhaft auf das Wachstum der Kulturen aus ohne deren Abbaukapazität für die persistenten Verbindungen zu mindern bzw. führt rasch zu heterogen zusam­ mengesetzten Mikroorganismen-Systemen. Diese sind in der Lage, die als wahrscheinlich anzunehmenden Abbauprodukte des Hexachlorcyclohexan zu eliminieren, was für die Existenz und das Wachstum von HCH-abbauenden Spezialisten eine Vorausset­ zung ist.

Als vorteilhafte Ausführungsformen der Herstellung und Verwendung erfindungsgemäßer Mikroorganismen-Kulturen seien nachfolgende Beispiele genannt.

Beispiel 1: Gewinnung von Mikroorganismen-Kulturen zum Abbau von Hexachlorcyclohexan und anderen mehrfach chlorierten ringförmigen Kohlenwasserstoffen

Geeignete Orte zur Entnahme von Mikroorganismen enthaltenden Proben sind insbesondere solche, die möglichst durch die interessierenden schwer abbaubaren Chlororganika kontami­ niert sind. Das können beispielsweise langfristig mit He­ xachlorcyclohexan behandelte Flächen der Land-und Forstwirt­ schaft, aber auch Deponien der Abfallisomeren selbst sein. Bei der Nutzung von Boden sollte der in Frage kommende Ort an mehreren Stellen bis zu einer Tiefe von 15 cm beprobt werden. Diese Bodenproben werden vereinigt und zwecks Gewin­ nung von Submerskulturen in Wasser, u. U. auch in kontami­ nierten Wässern über mehrere Tage bis zu einem Zeitraum von einer Woche mittels Rührer suspendiert. Danach erfolgt das Dekantieren des Überstandes in die zur aeroben oder anaero­ ben Züchtung der zum Abbau von Hexachlorcyclohexan befähig­ ten Mikroorganismen vorgesehenen Reaktoren, wobei die feinstverteilten Partikeln durchaus in der kontinuierlichen Phase verbleiben und mit in die Kulturgefäße gelangen kön­ nen. Als zur Fermentation von HCH geeignet haben sich Labor­ glas-Rührreaktoren mit Reaktionsvolumina von ca. 3 l unter Einsatz von Etagenrührern erwiesen.

Vorteilhafterweise sollte die aerobe Anreicherung der Kulturen unter nur schwacher Belüftung erfolgen, um der geringen spezifischen Sauerstoffverbrauchsrate der speziali­ sierten Mikroorganismen Rechnung zu tragen. Bezüglich dieses Ausführungsbeispiels sind Luftdurchsätze von kleiner als 5 l/h als günstig anzusehen.

Für die batchweise Anzucht ist eine Nährlösung zu verwenden, die eine bzw. mehrere der Isomeren der schwer abbaubaren chemischen Verbindung Hexachlorcyclohexan enthält. Ferner können andere, insbesondere als wahrscheinlich anzunehmende Abbauprodukte des HCH in geringen Konzentrationen in der Nährlösung vertreten sein. Darüber hinaus ist die Anwesen­ heit einer gewissen Menge anorganischer Salze von Vorteil. Die aerobe bzw. anaerobe diskontinuierliche Züchtung des Ansatzes wird bei Temperaturen im Bereich von 15 bis 40°C, günstiger Weise bei 20 bis 30°C und pH-Werten im Bereich von 4 bis 9 durchgeführt bis ein Abbau von Hexachlorcyclohexan oder auch die Absenkung des pH-Wertes um ein bis zwei Ein­ heiten registriert wird. Dies kann nach 10 bis 20 Tagen oder auch erst nach mehreren Monaten eintreten. Jedenfalls sollte in Abständen von 2 bis 3 Wochen der HCH-Anteil der Nährlö­ sung bis zur Sättigung ergänzt bzw. nach Absetzen oder Zentrifugieren des entsprechenden Reaktorinhaltes die abge­ trennten Trübstoffe erneut frischer Nährlösung ausgesetzt werden.

Beispiel 2: Kontinuierliche biologische Behandlung von mit Hexachlorcyclohexan verunreinigten Wässern

Auch ohne mehrfaches Überimpfen der entsprechend den Ausfüh­ rungen des Beispieles 1 gewonnenen Submerskulturen ist nach einem Zeitraum von etwa drei Monaten der Übergang zum konti­ nuierlichen Betrieb mit Substratverweilzeiten von ca. 2 Tagen möglich. Entsprechend durchgeführte Versuche waren durch die Bildung von absetzbarer Biomasse innerhalb von wenigen Tagen gekennzeichnet, was z. B. für die Realisierung des Belebtschlammverfahrens eine Voraussetzung ist. Aus den Fig. 1 bis 4 wird sowohl der anaerobe biologische Abbau von Hexachlorcyclohexan als auch die allmähliche Adaptation der Mikroorganismen-Kulturen an das verabreichte Isomerenge­ misch (Alpha : Beta : Gamma : Delta = 1 : 1 : 1 : 1) ersichtlich. In den Fig. 5 und 6 sind die Summenhäufigkeiten der Konzentra­ tionen der Alpha- und Beta- bzw. Gamma- und Delta-HCH- Isomeren für den Zu- und Ablauf bei aerobem Betrieb darge­ stellt. Eine Senkung der Restkonzentrationen ist durch Ver­ minderung der Schlammbelastung möglich, wobei für die konti­ nuierliche aerobe bzw. anaerobe Fermentation von Hexachlor­ cyclohexan bei Substratverweilzeiten von durchschnittlich 4 Tagen isomerenspezifische Abbaugrade von bis zu 80 bis 100 Prozent erreicht wurden. Für Alpha- und Gamma-HCH wird unter diesen Reaktionsbedingungen nahezu stabiler Totalabbau erreicht. Die Metabolisierung der HCH-Isomeren findet simul­ tan statt. Isomerisierung konnte in keinem Fall festgestellt werden. Anzahl und Menge entstehender niedriger chlorierter Kohlenwasserstoffe sind ausgesprochen gering. Fig. 7 gibt beispielsweise die Chromatogramme der Zu- und Abläufe bei aerobem bzw. anaerobem Betrieb nach 201 Versuchstagen und mittleren Substratverweilzeiten von 3 Tagen wider.

Der Zusatz von leichter abbaubaren Substanzen, die zu einer signifikanten Erhöhung des BOD des Mischsubstrates beitra­ gen, führt zur Stabilisierung des Prozesses. Aceton wirkt diesbezüglich in Massenanteilen von weniger als 10 Prozent besonders vorteilhaft, da es als Co-Substrat verstoffwech­ selt werden kann und darüber hinaus ein großes Lösevermögen für Hexachlorcyclohexan besitzt. Die Aktivität der erfin­ dungsgemäßen Mikroorganismen-Kulturen bleibt bei Anwesenheit von Aceton erhalten. Aufgrund der sich einstellenden höheren Biomassekonzentrationen läßt sich die Raum-Zeit-Ausbeute beträchtlich steigern.

Weitere Vorteile für den beschriebenen biologischen Abbau von Hexachlorcyclohexan sind vor allem in der Anwendung geeigneter Immobilisierungstechniken für die Mikroorganis­ men-Kulturen und der Reaktionsführung im Airlift-Schlaufen­ reaktor zu sehen.

Beispiel 3: Biologische Behandlung von mit Hexachlorcyclo­ hexan verunreinigten Böden

Perkolationsversuche unter Einsatz der erfindungsgemäßen Mikroorganismen-Kulturen bestätigten nach 4 Wochen diskonti­ nuierlicher aerober Behandlung die Verminderung der HCH- Konzentrationen in mit bis zu 5 mg Beta-HCH pro kg Trocken­ masse kontaminierten Böden einer Flußaue um 72 Prozent, während vergleichende Versuche mittels isolierter Reinkultu­ ren einen Abbaugrad von maximal 20 Prozent zeitigten. Offen­ sichtlich bleibt auch nach der erfindungsgemäßen Anzucht von Hexachlorcyclohexan abbauenden Mikroorganismen-Kulturen eine daraus hervorgegangene spezialisierte Reinkultur hinsicht­ lich ihrer Leistungsfähigkeit der entsprechenden Mischpopu­ lation deutlich unterlegen.

Claims (9)

1. Mikroorganismen-Kulturen, erhältlich durch aerobes oder anaerobes Züchten von Mikroorganismen enthaltenden Proben in einem Temperaturbereich von 15 bis 40°C in einem Mineralmedium, wobei dieses als einzige Kohlen­ stoffquelle zur Vermehrung der Mikroorganismen ein bzw. mehrere der Isomeren der schwer abbaubaren chemischen Verbindung Hexachlorcyclohexan enthält.

2. Mikroorganismen-Kulturen, erhältlich durch aerobes oder anaerobes Züchten von Mikroorganismen enthaltenden Proben in einem Temperaturbereich von 15 bis 40°C in einem Mineralmedium, wobei dieses als einzige Kohlen­ stoffquelle zur Vermehrung der Mikroorganismen ein bzw. mehrere der Isomeren der schwer abbaubaren chemischen Verbindung Hexachlorcyclohexan enthält, unter einmaligem oder mehrfachem Überimpfen der Kulturen in jeweils frisches Medium.

3. Verfahren zur Herstellung von Mikroorganismen-Kulturen durch aerobes oder anaerobes Züchten von Mikroorganismen in einem Temperaturbereich von 15 bis 40°C in einem Mineralmedium, wobei dieses als einzige Kohlenstoffquel­ le zur Vermehrung der Mikroorganismen ein bzw. mehrere der Isomeren des Hexachlorcyclohexan enthält, und Adap­ tation an die genannte zyklische Verbindung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Medium als zusätzliche Kohlenstoffquelle eine oder mehrere leichter abbaubare Verbindungen zugesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Kohlenstoffquelle Aceton fungiert.

6. Verwendung der Mikroorganismen-Kulturen nach Anspruch 1 oder 2 bzw. der nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5 erhaltenen Mikroorganismen zum Abbau von chlorier­ ten, schwer abbaubaren zyklischen Verbindungen, insbe­ sondere Hexachlorcyclohexan.

7. Verwendung der Mikroorganismen-Kulturen nach Anspruch 6 in immobilisierter Form.

8. Verwendung der Mikroorganismen-Kulturen nach Anspruch 6 oder 7 in Kombination mit zusätzlichen mechanisch bzw. chemisch-physikalisch wirkenden Verfahrensstufen oder entsprechenden simultan betriebenen Verfahrenserweite­ rungen.

9. Verwendung der Mikroorganismen-Kulturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8 in einem Airlift- Schlaufenreaktor.