Projekt 27937/01

Labor- und Felduntersuchungen zur Abfall-/Klärschlammverwertung aus dezentralen Abwasserbehandlungen für die Herstellung hochwertiger Schwarzerdeböden (Terra Preta)

Projektträger

Universität Leipzig Institut für Bakteriologie und Mykologie Veterinärmedizinische Fakultät
An den Tierkliniken 29
04103 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Verbringung menschlicher und tierischer Fäkalien auf landwirtschaftlich genutzte Böden führt zu einer Akkumulation von Schadstoffen und pathogenen Mikroorganismen. Zu den Bodenschadstoffen mit Ökotoxizität gehören auch Antiinfektiva und Schwermetalle. Insbesondere biogene Abfälle aus dem Bereich veterinärmedizinischer Kliniken enthalten pathogene Mikroorganismen, Antiinfektiva und verrottungsresistentes Einstreumaterial (Holzspäne). Im Rahmen der ersten Phase des Projektes sollten diese Abfälle mittels der Terra Preta (TP)-Technologie dekontaminiert bzw. abgebaut werden, um daraus fruchtbare anthropogene Schwarzerden zu erzeugen. Durch Bepflanzen von TP-haltigen Pflanzparzellen mit Mais wird geprüft, ob die Bodenfruchtbarkeit durch TP verbessert wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenLaborversuche:
1.1. Untersuchungen zur Dynamik der Fäkalkeime und zum Fermentationsergebnis (Kurzkettige Fettsäuren, Milchsäure, pH-Wert) in Beziehung zur Zusammensetzung der Fermentationsmatrix (mit Holzkohle, ohne Holzkohle, mit/ohne Laktobazillenzusatz) bei 37 °C. Folgende mikrobiologische Parameter wurden kulturell untersucht: aerobe Gesamtkeimzahl, anaerobe Gesamtkeimzahl, Enterobakterienzahl, Laktobazillen, Clostridium perfringens, Clostridiengesamtzahl, Staphylokokken, Enterokokken, Hefen, Schwär-zepilze (Aspergillus niger), Salmonellen, Listeria monocytogenes. Die Keimzahlen wurden parallel mittels Fluoreszenz-In situ-Hybridisierung ermittelt. Die Spezifizierung der kultivierten Bakterien erfolgte mittels MALDI-TOF. Das Fermentationsergebnis wurde durch Bestimmung des pH-Wertes mittels pH-Meter sowie durch Analyse der Gärsäuren mittels HPLC (BioCheck Leipzig) verifiziert 1.2. Untersuchungen zur Degradierung von pathogenen Bakterien, Viren, Parasitendauerstadien: In die unter 1.1. beschriebenen Matrices wurden Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, E. coli O157, Salmonella Anatum und Salmonella Senftenberg in einer Endkonzentration von ca. 106 KbE/ml inokuliert und die Ansätze nach 3, 7, 14 und 21 Tagen Fermentation auf lebende Erreger untersucht. Die Untersuchungen wurden quantitativ mittels kultureller Methoden durchgeführt. ECBO-Viren wurden auf Keimträger aufgetragen und in die Fermentationsmatrices verbracht. Die Untersuchungen der Keimträger auf lebende Viren erfolgten im Institut für Virologie der Vet. med. Fakultät auf Zellkulturen nach 3, 7, 14 und 21 Tagen Fermentation. Spulwurmeier wurden in einer Endkonzentration von rund 7800 Eier/Gramm in die Matrices verbracht und nach 1, 2, 3 und 8 Wochen hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Embryonierung untersucht. Die Untersuchungen wurden im Institut für Parasitologie der Vet. med Fakultät durchgeführt. 1.3. Untersuchungen zum Abbau von Antiinfektiva: Am Beispiel von Sulfadiazin wurde untersucht, ob TP zum Abbau in der Lage ist. Dazu wurden 10mg/Kg Matrix eingewogen und mittels HPLC nach 7, 14, und 21 Tagen untersucht, ob ein Abbau oder Adsorption stattgefunden haben. Die Untersuchungen wurden am Institut für Toxikologie der TiHo Hannover durchgeführt.
Felduntersuchungen:
2.1. Untersuchungen zur Dynamik der Fäkalkeime, zum Fermentationsergebnis sowie zum Reifegrad der TP: Es wurden im ersten Ansatz 4 TP-Varianten mit 4 Wiederholungen in 60 l Maischfässern mit einem Fäkalgehalt von 40% gemischt. Davon enthielt eine Variante keine Holzkohle und keine zusätzlichen Laktobazillen. In einem zweiten Ansatz wurden 3 Varianten in 3 Wiederholungen mit 80% Fäkalanteil hergestellt, von denen eine Variante keine zusätzlichen Laktobazillen enthielt. Die Ansätze wurden vier Wochen bei 27 °C fermentiert. Nach vier Wochen wurden die fermentierten Matrices in 1 m2 große Parzellen ausgeschüttet. Vom Ansatz 1 wurden jeweils zwei gleiche Fassinhalte auf eine Parzelle verbracht, vom Ansatz 2 wurden 3 gleiche Fassinhalte auf eine Parzelle verbracht. Nach Neutralisierung des leicht sauren Materials mit CaOH-haltigem Gesteinsmehl wurden rund eine Woche nach der Ausbringung des Materials pro Parzelle 1.000 Kompostwürmer eingesetzt. Vier Kontrollparzellen wurden mit und ohne Kompostwürmer in die Untersuchungen einbezogen. Bakteriologische Untersuchungen, pH-Wertbestimmung und Gärsäurebestimmungen wurden vier Wochen Fermentationsbeginn wie unter 1.1. durchgeführt. Der Reifegrad der TP wurde nach 10 Wochen Vererdung mittels elektronischer Nase und pH-Wertbestimmung ermittelt. 10 Wochen nach der Vererdung wurden in Töpfen vorgezogene Maispflanzen in die TP-Areale verpflanzt. Die Maispflanzen wurden in rund vier-Wochen-Abständen vermessen und nach 14 Wochen geerntet.


Ergebnisse und Diskussion

Laboruntersuchungen:
Unter Laborbedingungen konnten fäkale Klinikabfälle erfolgreich von pathogenen Mikroorganismen dekontaminiert werden. Das galt auch nach sechs Wochen für Spulwurmeier. Von diesen Modelluntersuchungen konnten Rückschlüsse auf den Feldversuch und die praktische Anwendung gezogen werden. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass mit der TP- Methode eine sichere, dezentrale Low-Tech-Hygienisierung stattfinden kann.
1.1. Durch die Fermentation sanken die aeroben Gesamtkeimzahlen, die Enterobakterien-, Staphylokokken- und Enterokokkenzahlen in den Fermentationsmatrices um rund drei Zehnerpotenzen. Die Clostridienkeimzahlen wurden aber nicht reduziert, blieben auf ähnlich niedrigem Niveau wie zum Zeitpunkt 0. Hefen und Schimmelpilze sanken um 1-2 Zehnerstufen. Auf Keimträgernin die fermentationsansätze zugesetzte Viren (ECBO) wurden innerhalb von 14 Tagen und Gram-positive sowie Gram-negative pathogene Bakterien (L. monocytogenes, S. aureus sowie E. coli O:157, Salmonella Anatum, Salmonella. Senftenberg) innerhalb von 3 Tagen bis unter die Nachweisgrenze der Nachweismethode degradiert. Diese Degradierungen sind Folge der pH-Wert-Absenkungen durch Produktion von kurzkettiger Fettsäuren und Milchsäure.
1.2. Zur TP-Matrix zugesetztes Sulfadiazin wird unmittelbar nach Zugabe in die Matrix bis auf 16 - 24 % der zugegebenen Menge absorbiert. Nach drei Wochen Fermentation liegt die nachweisbare Sulfadiazin-Menge bei 3,2 - 5 %. Vermutlich adsorbiert ein erheblicher Anteil unmittelbar an die Matrix.
1.3. Spulwurmeier waren nach 8 Wochen Fermentation nicht mehr zur Embryonierung fähig. Damit steht eine Methode zur Verfügung, die äußerst resistenten Spulwurmeier zu inaktivieren.
1.1. Die Kontrolle der Reifequalität der Terra Preta kann nach bisherigem Stand der Forschung nicht mit Hilfe der elektronischen Nase ermittelt werden. Viel besser eignet sich die menschliche Nase für die Beurteilung des Reifegrades. Es bieten sich hierfür auch die pH-Messung sowie die bakteriologische Untersuchung einzelner Parameter an.
Felduntersuchungen:
Die fäkalen Abfälle des Lehr- und Versuchsgut Oberholz konnten in ähnlicher Weise dekontaminiert werden wie in den Laboruntersuchungen. Die ermittelten bakteriologischen Parameter waren in beiden Untersuchungen sehr ähnlich. Kurzkettigen Fettsäure- und Milchsäurekonzentrationen, die bei der Fermentation entstehen, ergaben Unterschiede in Zusammensetzung und Konzentration zum Laboransatz. Auch die pH-Wert-Absenkungen fielen nicht so stark aus. Die Ursache sehen wir in dem zu geringen Anteil fermentierenden Materials. Es wurden 12% Grassilage, 3,1% Quetschgerste und 1,1% Sägespäne als fermentierbares Substrat eingemischt. Dadurch war der Anteil an Gärsäuren gegenüber dem Laboransatz mit 23% leicht verdaulichen Kohlenhydraten wesentlich verringert, was sich auch an den höheren pH-Werten (ca. 5, 4) zeigte. Trotzdem waren die Enterobacteriaceae bis unter die Nachweisgrenze degradiert. In den Fermentationsansätzen war keine Reduktion von sporenbildenden Clostridien festzustellen. Eine Vermehrung konnte aber auch nicht festgestellt werden. Während der Fermentation entstanden in Fässern brennbare Gase, die mit Sicherheit auf Methan zurückgingen. Interessant war hier, dass besonders in den Fässern ohne zusätzliche Laktobazillensubstitution die Gasbildung am stärksten war. Unter praktischen Bedingungen könnte dieses gas als Energieträger genutzt werden. Unter Umständen könnte diese Energiequelle für die Erwärmung von TP-Flächen in den Wintermonaten genutzt werden. Das vererdete TP-Material sorgte auf den Versuchsfeldern für eine stärkere Diversität von Bo-denorganismen, eine erheblich bessere Wasseraufnahme und tendenziell für einen besseren Pflanzenwuchs. Weiter Untersuchung zur Bodenverbesserung sowie zu den Details der Hygienisierung sind sehr zu empfehlen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse unserer Arbeit wurden anlässlich einer BDZ-Veranstaltung in Magdeburg (Juli 2010) vorgestellt.


Fazit

Mit der hier genutzten milchsauren Fermentation ist es möglich fäkale Abfälle zu hygienisieren. Die dabei verwendete Methode ist mit einfachen Mitteln umsetzbar. Die entstehenden Matrices haben positive Effekte auf die Versuchsfelder.

Übersicht

Fördersumme

44.625,00 €

Förderzeitraum

16.12.2009 - 15.09.2010

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Landnutzung
Ressourcenschonung
Umwelttechnik