Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Durch Untersuchungen im Labor- und halbtechnischen Ma\u00dfstab wurden die Grundlagen f\u00fcr die Entwicklung eines neuen, aeroben Submersverfahrens zum vollst\u00e4ndigen biologischen Abbau von cis-1,2-Dichlorethen (cDCE) und Vinylchlorid (VC) erarbeitet.
\nDie Arbeiten wurden mit cDCE als Zielsubstanz durchgef\u00fchrt. Die Cooxidationsrate steigt mit abnehmendem Chlorierungsgrad am Ethen an, so da\u00df sich die Auslegung einer aeroben Stufe in einem kombinier-ten Verfahren am cDCE als Zielsubstrat orientieren mu\u00df.
\nDas Verfahren wurde so konzipiert, da\u00df es mit einem vorzuschaltenden anaeroben Proze\u00df (Frau Prof. Dr. Diekert, Institut f\u00fcr Mikrobiologie, Universit\u00e4t Stuttgart) zur reduktiven Dehalogenierung von hochchlorierten Ethenen wie Tetrachlorethen (PCE) und Trichlorethen (TCE) kombiniert werden kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Verfahren basiert auf dem cometabolischen Abbau der Zielsubstanzen. Als geeignetes Energie- und Induktionssubstrat erwies sich Ethen, ein dem cDCE strukturanaloger Naturstoff. Aufgrund der Strukturanalogie bestand die M\u00f6glichkeit, da\u00df beide Substanzen \u00fcber dieselben oder analogen konvergenten Abbausequenzen mineralisiert werden.
\nNach einem erfolgreichen Screening nach dehalogenierenden Mikroorganismen wurde der cometablische Abbau von cDCE im Laborma\u00dfstab (1,0 l) getestet. Zur Optimierung des Abbauprozesses, einer besseren Substratnutzung und die \u00dcberf\u00fchrung in eine technische Anwendung wurden weitere Experimente in einem 40-Liter-Rieselbett-Reaktor mit Textilmaterial als Aufwuchsk\u00f6rper f\u00fcr Biomasse durchgef\u00fchrt. Bei diesen Experimenten wurde authentisches cDCE-haltiges Grundwasser aus einer CKW-kontaminierten Altlast verwendet.
\nIn weiteren Untersuchungen soll der CKW-Abbau am Beispiel eines PCE-haltigen Grundwassers demonstriert werden. Zu diesem Zweck wird ein 30-Liter-Festbettreaktor (anaerobe Stufe) mit dem 40-Liter-Rieselbett-Reaktor (aerobe Stufe) gekoppelt. Als n\u00e4chster Schritt ist der Aufbau einer Versuchsanlage mit 2 x 10 m3 Reaktorvolumen geplant.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Aus einer Betriebskl\u00e4ranlage und dem Abluftfilter eines Ethen- und CKW-produzierenden Unternehmens wurden insgesamt 20 Ethen abbauende Mischkulturen angereichert. Eine signifikante Dehalogenierung (\u00b3 0,15 mM freigesetztes Chlorid bei Zugabe von 1 mM cDCE im Testansatz) wurde bei 60% der Anreicherungskulturen beobachtet.
\nBei Batch-Versuchen im Sch\u00fcttelkolben wurden die auf Ethen angereicherten aktiven Mischkulturen auf die F\u00e4higkeit zum Abbau von cDCE (800 \u00b5M) bei gleichzeitiger Zugabe von Ethen (250 \u00b5M) als Auxiliarsubstrat untersucht. Eine der Kulturen (K20) konnte cDCE mineralisieren, wenn noch 80 \u00b5M Ethen in der w\u00e4ssrigen Phase vorhanden war. Auch Ethen und VC erwiesen sich als kompatible Substrate, d.h. VC (100 \u00b5M) und Ethen (210 \u00b5M) wurden gleichzeitig oxidiert.
\nDie Kultur K20 wurde n\u00e4her charakterisiert und bei Versuchen in kontinuierlicher Kultur eingesetzt. Die Mischkultur besteht aus f\u00fcnf unterscheidbaren St\u00e4mmen. Bei zwei dieser Isolate handelt es sich jeweils um Mycobacterium sp., bei einem Isolat um Corynebacterium sp. und zwei St\u00e4mme sind Vertreter der a-Untergruppe der Proteobakterien.
\nDie Mischkultur K20 wurde \u00fcber einen Zeitraum von 52 Tagen in einem R\u00fchrkesselreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 1,0 Liter betrieben. Auch hier wurden Ethen und cDCE simultan abgebaut. Die Chloridbilanz zeigte, da\u00df cDCE vollst\u00e4ndig dehalogeniert und mineralisiert wurde. In diesem Versuch war eine hohe Bel\u00fcftungsrate notwendig, um die Versorgung der Bakterien mit Ethen \u00fcber die Zuluft (1,9%, v\/v E-thengehalt) zu gew\u00e4hrleisten. Aus diesem Grund wurden bei einer cDCE-Zugabe von 2 mg\/l.h ca. 0,1 mg\/l.h ausgetragen.
\nUm eine vollst\u00e4ndige Ausnutzung des zudosierten Ethens als Auxiliarsubstart zu gew\u00e4hrleisten und den Verlust an cDCE durch Strippen zu minimieren, wurden weitere Abbauuntersuchungen in einem 40-Liter-Rieselbett-Reaktor mit Textilmaterial zur Immobilisierung der Biomasse durchgef\u00fchrt. Bei diesen Experimenten wurde cDCE-haltiges Grundwasser aus einem CKW-Schadensfall eingesetzt. Das im Grundwasser vorhandene cDCE (60 \u00b5g\/l bzw. 500 \u00b5g\/l) wurde bis zu einer Restkonzentration von < 10 \u00b5g\/l bzw. 20 \u00b5g\/l abgebaut. Inzwischen wurde dieser Reaktor 6 Monate ohne steriltechnische Ma\u00dfnahmen betrieben. Eine Verminderung der spezifischen cDCE-Abbauleistung der Mikroorganismen infolge von Fremdverkeimung wurde nicht festgestellt. Fremdkeime, die Ethen unspezifisch oxidieren, bilden wahrscheinlich durch eine Monooxygenase-Reaktion im ersten Reaktionsschritt Ethylenoxid, das f\u00fcr solche Organismen hochtoxisch ist, die kein spezifisches Ethylenoxid spaltendes Enzymsystem aufweisen.\nEthen verwertende bakterielle Kulturen, die cDCE cometabolisch abbauen, besitzen im Hinblick auf eine technische Anwendung weitere entscheidende Vorteile gegen\u00fcber allen anderen bisher untersuchten biologischen Systemen des cometabolischen Chlorethenabbaus:\nSie weisen eine hohe Toleranz (\u00a3 6 mM in der w\u00e4ssrigen Phase) und Enzymaktit\u00e4t gegen\u00fcber cDCE auf. Der cometabolische Ausbeutekoeffizient [mol cDCE\/mol Ethen] ist hoch (Ty = 0,51). Somit wird eine vergleichsweise geringe Menge des Auxiliarsubstrats Ethen f\u00fcr die Cooxidation von cDCE ben\u00f6tigt.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nP. Koziollek, D. Bryniok und H.-J. Knackmuss: Entwicklung eines aeroben Verfahrens zur mikrobiellen Eliminierung von cis-1,2-Dichlorethen und Vinylchlorid. Poster bei dem 12. DECHEMA-Fachgespr\u00e4ch Umweltschutz, Leipzig, 08.-10. Oktober 1996.\nP. Koziollek, D. Bryniok und H.-J. Knackmuss: Cometabolic Biodegradation of cis-1,2-Dichloroethene by Ethene Utilizing Bacteria. Vortrag bei der Fr\u00fchjahrstagung der Vereinigung der Allgemeinen und Angewandten Mikrobiologie, Hamburg, 16.-19. M\u00e4rz 1997.\nP. Koziollek, D. Bryniok und H.-J. Knackmuss: Cometabolic Biodegradation of cis-1,2-Dichloroethene by Ethene Utilizing Bacteria. Vortrag bei dem ISEB-Meeting on Bioremediation, Leipzig, 24.-27. Sep. 1997.\nP. Koziollek, S. Bauer, D. Bryniok und H.-J. Knackmuss: Cometabolic Dechlorination of cis-1,2-Dichloroethene by Ethene Utilizing Bacteria. Poster bei der ConSoil, Edinburgh, UK, 17.-21. Mai 1998.\nP. Koziollek, D. Bryniok und H.-J. Knackmuss: Cometabolischer Abbau von cis-1,2-Dichlorethen durch Ethen verwertende Bakterien. Poster bei der DECHEMA-Jahrestagung , Wiesbaden, 26.-28. Mai 1998.\nP. Koziollek, D. Bryniok and H.-J. Knackmuss: Cometabolic Degradation of cis-1,2-Dichloroethene and Vinyl Chloride by Ethene-Utilizing Bacteria. Manuskript wurde bei der Zeitschrift Applied and Environmental Microbiology im November 1998 eingereicht.\n\n\nFazit\n\nDie bisherigen Ergebnisse im 40-Liter-Rieselbett-Reaktor sind erfolgreich abgeschlossen. Ethen bietet als Wachstums- und Induktionssubstrat f\u00fcr den cometabolischen Abbau von cDCE entscheidende Vorteile. In Kombination mit der reduktiven Dehalogenierung von PCE und TCE in anaeroben Systemen hat diese Technik das Potential zu einem effizienten und kosteng\u00fcnstigen Reinigungsverfahren f\u00fcr CKW-kontaminiertes Grundwasser entwickelt zu werden.F\u00fcr den cometabolischen Abbau von Chlorethenen wurde am 08.10.96 ein Schutzrecht beim Deutschen Patentamt beantragt.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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