DE4424756C1

DE4424756C1 - Verfahren zur mikrobiellen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien

Info

Publication number: DE4424756C1
Application number: DE4424756A
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller; Wolfgang Babel; Roland Gleitsmann; Irmgard Bloedorn
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 1994-07-03
Filing date: 1994-07-03
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2014-07-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiellen De kontamination von schadstoffbelasteten Materialien, insbesondere Abbruchmaterialien von Gebäuden und Produktionsanlagen, die u. a. mit Phenolen, Kresolen, Chlorphenolen, chlorierten, methylierten sowie chlorierten und methylierten Phenoxyalkansäuren und aliphatischen chlorierten Kohlenwasserstoffen kontaminiert sind. Das Verfahren kann zur Sanierung von Mauerabbruch, beispielsweise von Altstandorten der chemischen Industrie, Anwendung finden.

Mauerwerk von Gebäuden, in denen jahrzehntelang Herbizide produziert worden sind, ist hochgradig kontaminiert. Die Kontamination umfaßt das gesamte Spektrum der respektiven Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukte. Diese Substanzen sind toxisch und haben z. T. cancerogene und teratogene Wirkung. Ziel ist ihre Beseitigung. Das ist zur Vermeidung gesundheitlicher Schäden exponierter Personen und zum Schutz der Umwelt im allgemeinen unbedingt erforderlich.

Nach dem Abbruch solcher Gebäude und Anlagen und der Zer kleinerung des Mauerwerks über Schredderanlagen besteht die Gefahr, daß solche Verbindungen aus diesem Material durch Elution in Boden und Wasser bzw. auf Grund ihrer Flüchtigkeit in die Atmosphäre gelangen. Eine Deponierung kann nur als Zwischenlösung betrachtet werden. Sie muß so vorgenommen werden, daß diesen Gefahren begegnet werden kann und Ausgasungen bzw. Auswaschungen weitestgehend vermieden werden. Vor einer weiteren Verwendung solchen Materials und Vermeidung unbegrenzter Deponierungskosten müssen praktikable Maßnahmen zur Dekontamina tion unbedingt vorgenommen werden.

Zur Dekontamination stehen verschiedene Verfahren auf physika lisch-chemischer Grundlage zur Verfügung. Thermische Verfahren sind zwar effektiv, aber kostenintensiv. Absaug- oder Waschverfahren mit anschließender adsorptiver Schadstoffent fernung sind eine andere Möglichkeit, verlagern das Problem aber nur auf einen anderen Träger, wenn auch in z. T. hoch kon zentrierter Form.

In mikrobiellen Verfahren wird eine effektive und kosten günstigere Variante gesehen. Hierbei werden die organischen Verbindungen durch metabolische Aktivitäten mineralisiert, d. h. in CO₂, Wasser und gegebenenfalls anorganische Verbindungen (in der Regel Salze) sowie durch Wachstum und Vermehrung wieder in bioorganische Verbindungen überführt. Dazu können entweder die am Standort angesiedelten und an das entsprechende Milieu adaptierten Mikroorganismen genutzt werden, wobei durch Optimierung der Bedingungen das metabolische Potential ausgeschöpft und durch Vermehrung autokatalytisch sogar gesteigert werden kann. Es können aber auch ex situ kultivierte Mikroorganismen (Spezies oder Konsortien) als Starterkulturen entsprechend kontaminierten Materialien zugesetzt werden, wobei die in situ Sanierungen in unterschiedlichsten Verfahrensregimen durchgeführt werden können (d. h. on site, off site, Reaktoren, Mieten u. d g.

Das genetisch determinierte metabolische Potential wird in technischen Systemen, insbesondere bei der Behandlung orga nischer Materialien, bedingt durch physikalische Faktoren wie Löslichkeit, Diffusion, Durchlässigkeit, Porenvolumen (im allgemeinen als Bioverfügbarkeit deklariert), nicht ausge schöpft. Da es sich bei diesen Verbindungen häufig um - per se oder konzentrationsabhängig - toxische Substanzen handelt, wird andererseits durch zu hohe örtliche Konzentrationen die Stoffwechselaktivität gehemmt (Verminderung der Abbauraten) bzw. die Mikroorganismen werden sogar abgetötet. Hier müssen Bedingungen geschaffen werden, die metabolische Aktivität über haupt zu nutzen, sie möglichst voll auszuschöpfen und sogar zu "vermehren".

Die Dekontamination von chlorierten und methylierten Phenolen und Phenoxyalkansäuren (d. h. Mineralisierung durch Nutzung als Kohlenstoff- und Energiequelle) im neutralen pH-Bereich durch Einzelkulturen (Pieper, D. H. et al. 1988, Arch. Microbiol. 150, 95; Horvath, M. et al. 1990, Appl. Microbiol. Biotechnol. 33, 213; Kilpi, S. 1980, Microbiol. Ecol. 6, 261; Short, K. A. et al. 1990, Can. J. Microbiol. 36, 822; Tiedje, J. M. et al. 1969, J. Agr. Food Chem. 17, 1021) und Konsortien (Bloedorn, I. 1990, Dissertation, Universität Halle; Haugland, R. A. et al. 1990, Appl. Env. Microbiol. 56, 1357; Lappin, H. M. 1985, Appl. Env. Microbiol. 49, 429; Oh, K. H. und Tuovinen, O. H. 1990, J. Ind. Microbiol. 6, 275;) ist bekannt. Bei Mauerwerk kommt neben o. g. Faktoren als erschwerender Umstand hinzu, daß Eluate aus solchen Materialien pH-Werte von bis zu 12,5 aufweisen. Das sind auch extreme Bedingungen für Mikroorganismen (K. Horikoshi "Microorganisms in Alkaline Environments", VCH Weinheim, New York 1991), so daß allein schon dadurch die Artenvielfalt eingeschränkt ist. Nicht bekannt und deshalb zu fragen war,

i) ob Mikroorganismen existieren, die zusätzlich zur pH- homöostatischen Arbeit, die eine starke Belastung dar stellt, toxische Verbindungen wie die chlorierten Phe nole und Kresole sowie chlorierten/methylierten Phen oxyalkansäuren als einzige Kohlenstoff- und Energie quelle für Wachstum und Vermehrung verwerten können,
ii) mit welcher Geschwindigkeit und Effizienz solche Ver bindungen von definierten Spezies und von Konsortien metabolisiert werden können und
iii) ob Bedingungen geschaffen werden können, solche Schadstoffe auf mikrobieller Basis unter in situ Bedingungen, gegebenenfalls unter Zusatz solcher ex situ vermehrter Mikroorganismen bzw. Mikroorganis men-Populationen zu nutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur mikrobiellen Sanierung von mit Schadstoffen belasteten Materialien, z. B. von Abbruchmaterialien von Gebäuden und Anlagen zu entwickeln, die mit Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukten der Herbizidproduktion, insbesondere 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D), 2-Methyl-4-chlorphen-oxyessigsäure (MCPA), 2-(2,4- Dichlorphenoxy)-propionsäure (2,4-DP), 2-(2-Methyl-4- chlorphenoxy)-propionsäure (MCPP), 4-(2,4-Dichlorphenoxy)- buttersäure (2,4-DB), 4-(2-Methyl-4-chlorphenoxy)-buttersäure (MCPB) sowie 2,2-Dichlorpropionsäure kontaminiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die nachfolgend als SYS-K2/1 bis /3 und SYS-K2/5 bis /8 bezeichneten Bakterienstämme einsetzt. Die verwendeten Stämme konnten zum Teil bereits taxonomisch eingeordnet werden, zum Teil sind sie bisher nicht beschrieben. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sie in Kombination miteinander auch in sehr stark alkalischem Bereich die oben bezeichneten Herbizide abzubauen und das betroffene Mauerwerk damit zu dekontaminieren vermögen.

Die Dekontamination erfolgt vorzugsweise, indem man das extern auf einem Herbizidgemisch (z. B. auf 2,4-D, MCPP, 2,4-DP, MCPB) kultivierte Konsortium in einem Verhältnis von bis zu 10 g Bakterientrockensubstanz/kg Mauerwerk-Bruchstücke, vorzugsweise 4 g/kg zusetzt, wobei das Mauerwerk chlorierte und/oder methylierte Phenoxyalkansäuren, Phenole, Kresole, Chlorphenole sowie 2,2-Di-chlorpropionsäure (Dalapon) enthält. Die Kultivie rung auf dem Herbizidgemisch erfolgt unter feed-batch bzw. konti nuierlichen Bedingungen auf einem Minimalmedium.

Das Konsortium enthält erfindungsgemäß folgende Spezies:

SYS_K2/1, DSM 9233 Ochrobactrum anthropi
SYS_K2/2, DSM 9229 Bakterienstamm
SYS_K2/3, DSM 9234 Corynebacterium sp.
SYS_K2/5, DSM 9230 Bakterienstamm
SYS_K2/6, DSM 9231 Rhodococcus maris
SYS_K2/7, DSM 9232 Bakterienstamm

Die Dekontamination erfolgt aerob in wäßrigen Eluaten aus solchen Materialien, denen auch essentielle Wachstumskomponenten wie Stickstoff und Phosphat zugesetzt werden können. Vorzugsweise werden die Eluate in einem Perkolationsverfahren im Kreislauf behandelt, wobei kontaminiertes Material zu Flüssigkeit in variablem Verhältnis, vorzugsweise im Verhältnis Feststoff : Flüssigkeit 4 : 1 (Gewichtsteile) eingesetzt werden kann. Die Flüssigkeits- und Gaskreisläufe werden geschlossen betrieben, um ein Austreten der toxischen Verbindungen zu vermeiden. Verbrauch von Sauerstoff auf Grund der metabolischen Aktivitäten wird durch Nachlieferung von Luft über ein Überdrucksystem kompensiert. Entstehendes CO₂ wird nicht als Gas freigesetzt, sondern wegen des stark alkalischen Milieus als Carbonat fixiert.

Unter solchen Bedingungen erfolgt die Dekontamination aller im Eluat nachgewiesenen phenolischen und aliphatischen Verbindungen simultan und innerhalb eines Zeitraumes von ca. 30 Tagen. Das ist insofern überraschend, als der simultane Abbau kongenerer phenolischer Verbindungen, der über verschiedene Wege erfolgt, die epigenetisch nicht gleichsinnig geregelt sind, behindert ist, wenn die dafür erforderlichen Stoffwechselwege in einem Organismus zur gleichen Zeit exprimiert werden (indem Interme diate des einem Weges den Fluß über den anderen Weg inhibieren bzw. reprimieren). Das eingesetzte Konsortium "überspielt" dieses regulatorische Problem offenbar, da ein Abbau von einzelnen Herbiziden und Herbizidgemischen durch Reinkulturen aus diesem Konsortium nicht nachgewiesen werden konnte. Der Einsatz des ex situ kultivierten Konsertiums ist essentiell für die Dekontamination solchen Materials bei Einsatz eines hohen Feststoff/Flüssigkeits-Verhältnisses. Hier konnte eine Akti vierung der autochthonen Mikrobenflora innerhalb eines Zeitraums von bis zu 35 Tagen nicht bewirkt werden. Das gelingt allerdings bei höheren Flüssigkeitsanteilen, z. B. bei einem Verhältnis von Feststoff : Flüssigkeit 1 : 2 (Gewichtsanteile).

Es ist vorteilhaft, ein Temperaturregime von 15 bis zu 38°C zu beachten.

Es war überraschend und nicht vorhersehbar, daß die Mischung der Mikroorganismenstämme einen derart starken synergistischen Effekt zeigt. Während die Kombinatiopn einiger Stämme miteinander zwar den Abbau der bezeichneten und chemisch ähnlicher Herbizide besser als bisher bekannt ermöglicht und für sich allein genommen einen Fortschritt darstellt, wirkt das Konsortium in bisher nicht bekannter und auch nicht erwarteter Weise. Eine wissenschaftliche Erklärung des Phänomens steht bisher aus. Vermutet werden kann, daß einige Bakterienstämme des Konsortiums zunächst das Herbizid selbst angreifen und zu Produkten verstoffwechseln, die ihrerseits durch andere Stämme des Konsortiums weiter abgebaut werden, bis letztlich eine endgültige Dekontaminierung erreicht ist.

Daraus ergibt sich, daß die Zusammensetzung des Konsortiums sich im Laufe des Dekontaminierungsverfahrens einstellt und in Abhängigkeit von dem abzubauenden Herbizid der eine oder andere Stamm quantitativ dominieren kann.

Bemerkenswert ist auf jeden Fall der ungewöhnliche pH-Wert, bei dem das Verfahren ablaufen kann, weil in das Konsortium solche Bakterienstämme eingehen, die bei einem pH-Wert <12 lebensfähig sind.

Mit Ausführungsbeispielen soll das erfindugsgemäße Verfahren näher erläutert werden:

Die mikrobielle Mischpopulation wird auf einem Minimalmedium ohne Zusatz weiterer Suppline angezogen. Dieses Medium hat pro Gramm zu erzeugender Biomasse folgende Zusammensetzung (in mg/l): NH₄CL, 700; KH₂PO₄ 158;
MgSO₄ · 7 H₂O, 8; CaCl₂ · 2 H₂O, 10; FeSO₄ · 7 H₂O, 2.5; ZnSO₄ · 7 H₂O, 0,23; MnSO₄ · 4 H₂O, 0,42; CuSO₄ · 5 H₂O, 0,39; Na₂MoO₄, 0,12.

Die Kultivierung erfolgt im pH-Bereich von 9 bis 10, 30°C und einer Gelöstsauerstoffkonzentration von <30° des Sättigungswertes. Als Inokulum dient die Suspension eines mikrobiellen Konsortiums, welches aus kontaminiertem Ge bäudematerial einer Herbizidproduktionsanlage unter alkalischen Bedingungen (pH 9 bis 10) angereichert wurde. In diesem wurden als Hauptvertreter 7 Morphotypen nachgewiesen. Diese zeichnen sich durch alkaliphile Wachstumseigenschaften mit einem optimalen pH-Bereich von 9 bis 11 aus und zeigen metabolische Aktivitäten bis zu einem pH-Wert im Eluat von 12.5. Dabei tolerieren sie aktuelle Herbizidkonzentrationen (MCPB, 2,4-DB, MCPA, 2,4-D, 2,4-DP, MCPP) von bis zu 5 g/l.

Das Konsortium wird auf einer Mischung von Herbiziden unter feedbatch Bedingungen kultiviert, wobei die einzelnen Substrat komponenten mit einer Rate von 2 µmol/h MCPB, 0,64 µmol/h 2,4-D und je 0,08 µmol/h 2,4-DP und MCPP angeboten wurden. Die Suspension wird unter diesen Bedingungen bis zu einer Konzentration von 0,4 g/l Bakterientrockensubstanz vermehrt. Dann wird auf kontinuierliche Kultivierungsbedingungen umge stellt. Die Komponenten in der Phenoxyalkansäuremischung als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle werden in Konzentrationen von 24,0 mM MCPB, 7,9 mM 2,4-D, 1,0 mM DCPP und 1,0 mM MCPP in mineralischer Nährlösung entsprechend einer Verdünnungsrate von 0,02 h^-1 zugeführt. Unter stationären Wachstumsbedingungen werden Biomassekonzentrationen von 1,9 g/l erreicht. Die so erzeugte Biomasse wird gesammelt, durch Zentrifugation konzentriert und bis zur weiteren Verwendung bei 0 bis 4°C gelagert.

Der Abbau der Herbizide und der anderen im Mauerabbruch vor handenen Kontaminanten wird unter aeroben Bedingungen durch geführt. In einem Modellansatz werden 1000 g des Abbruch materials eingesetzt. Dieses wird mit 100 ml Leitungswasser befeuchtet und in einer Perkolationssäule gefüllt. Das obere und untere Ende der Säule ist mit einer Lage Glaswolle versehen. In einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf werden 250 ml einer Mineralsalzlösung obiger Zusammensetzung zugesetzt und mit einer Rate von 75 ml/h über die Säule gepumpt. Im Gegenstrom wird in einem ebenfalls geschlossenen Kreislauf mit einer Rate von 5 l/h belüftet. Verbrauchter Sauerstoff wird über ein Überdrucksystem (1980 Pa) aus Luft oder Sauerstoffdruckflaschen zur Verfügung gestellt. CO₂ wird auf Grund der stark alkalischen Milieubedingungen nicht freigesetzt.

Der Abbau der entsprechenden Verbindungen wird über spektro photometrische und chromatographische (HPLC) Methoden verfolgt. Über einen Zeitraum von 33 Tagen wird kein deutlicher und andauernder Abbau aller so nachgewiesenen Komponenten festgestellt. Danach werden 3,7 g (Bakterientrockenmasse) der unter kontinuierlichen Bedingungen auf Herbizidmischung erzeugten Biomasse auf die Säule aufgetragen, welche sich vor allem in der oberen Glaswollschicht lokalisiert hat. Das führt zu einem raschen Abbau aller Komponenten mit einer Reduzierung der Konzentration auf bis zu 20% des Ausgangswertes innerhalb der folgenden 5 Tage und zu einem nahezu vollständigen Verschwinden aller Komponenten im Eluat innerhalb von weiteren 25 Tagen.

Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn der Eluatstrom über ein Feststoffbett geleitet wird, das mit oberflächenvergrö ßernden Strukturen, z. B. Polyurethan-Pellets gefült ist. Auf diesem kommt es zu einem Bewuchs, der vor allem nach Inokulation mit ex situ erzeugten bakteriellem Konsortium nach einmaligem batch-Betrieb zu vergleichbaren Abbauraten führt, wie dies für die Auflagerung auf die Glaswollschicht beobachtet wird. Bei Langzeitbetrieb, auch unter dem Aspekt einer industriellen Dimension der Anwendung, kann durch entsprechend weitergehenden Bewuchs bzw. durch Erhaltung eines hohen Aktivitätspotential der individullen Bakterienspezies und der summarischen Aktivität des Konsortiums durch Verschiebung der Proportionen entsprechend des kontinuierlich angelieferten Substratstroms der Zeitfaktor für den Abbau der Kontaminanten weiter verkleinert werden.

Claims

1. Verfahren zur mikrobiellen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien, insbesondere von Abbruch materialien aus Gebäuden und Produktionsanlagen, die mit Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukten der Herbizidproduktion kontaminiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dekon tamination ein mikrobielles Konsortium eingesetzt wird, das die 7 nachfolgend aufgeführten Bakterienstämme als Hauptkomponenten enthält: SYS_K2/1 DSM 9233
SYS_K2/2 DSM 9229
SYS_K2/3 DSM 9234
SYS_K2/5 DSM 9230
SYS_K2/6 DSM 9231
SYS_K2/7 DSM 9232
SYS_K2/8 DSM 9235

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismenstämme im alkalischen Bereich bei pH-Werten bis zu 12,5 unter aeroben Bedingungen eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Konsortium ex situ unter alkalischen Bedingungen, insbesondere bei pH-Werten zwischen 9 und 11, auf einem Gemisch von chlorierten sowie chlorierten und methylierten Phenoxyalkansäuren vermehrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dekontamination in wäßrigen Eluaten aus den belasteten Materialien erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Konsortium von Mikroorganismen aus Herbizid-belastetem Mauerwerk isoliert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismenstämme in beliebiger Mischung miteinander sowie insbesondere in Anwesenheit weiterer, den Prozeß nicht störender Mikroorganismen zum Abbau organischer Schadstoffe wie 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure, 2-Methyl-4-chlorphenoxyessigsäure, 2-(2,4-Dichlorphenoxy)-pro pionsäure, 2-(2-Methyl-4-chlorphenoxy)-propionsäure, 4-(2,4-Dichlorphenoxy)-buttersäure, 4-(2-Methyl-4-chlorphenoxy)- buttersäure, 2,2-Dichlorpropionsäure verwendet werden.