Peter, Heesche-wagner
Kerstin, Kaufmann
Michael, Schwarz
Thomas
Peter, Heesche-wagner
Kerstin, Kaufmann
Michael, Schwarz
Thomas
| 1. | Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteten Medien bei der Luft, Abwasser oder Bodenreinigung, bei dem eine kontinuierliche Ab¬ baufermentation unter Einsatz von in dem schadstoffbefrachteten Medium vorhan denen Mikroorganismen und/oder einer dem Medium zugesetzten Mikroorganismenkul¬ tur in einem Abbaufermenter durchgeführt wird, wobei während der Abbaufermentation die Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter mit Hilfe eines Regelkreises gesteuert wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schad Stoffkonzentration im Abbaufermenter zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert konstant gehalten wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schad¬ stoffkonzentration im Abbaufermenter in Abhängigkeit von der Vitalität der Biomasse gesteuert wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Schwellwert der Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter nicht unter der Okotoxizitatsgrenze von im Abbaufermenter eventuell vorhandenen, zum Schad¬ stoffabbau jedoch nicht beitragenden Mikroorganismen liegt. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbefrachtete Medium Formaldehyd enthält und daß die zugesetzte Mikroorganismenkultur Formaldehyd abbauende Mikroorganismen, insbesondere DSM 11423 und/oder DSM 11424 oder Mutanten oder Varianten dieser Mikroorganis¬ men enthält. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbefrachtete Medium Phenole enthalt und daß die Mikroorganismen¬ kultur Phenol abbauende Mikroorganismen, insbesondere den Mikroorganismus DSM 11425 oder Mutanten oder Varianten dieses Mikroorganismuses enthalt. |
| 7. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das aus der Abbaufermentation abfließende Medium einer zweiten Ab¬ baufermentation unterzogen wird, wobei der untere Schwellwert der Schadstoffkonzen¬ tration im Abbaufermenter bei der zweiten Abbaufermentation niedriger als bei der ersten Abbaufermentation liegt. |
| 8. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß vor der Zugabe in das schadstoffbefrachtete Medium die Mikroorganis¬ menkultur in einem ein nährstoffreiches Medium enthaltenden Mutationsfermenter kul¬ tiviert, einer mutagenen Behandlung unterzogen und stabilisiert wird und anschließend in einem Selektionsfermenter, der ein nahrstoffarmes, mit dem oder den Schadstoffen angereichertes Medium enthalt, einer Selektion unterzogen wird wobei ein Teil der Kul¬ tur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter kontinuierlich so lange zu¬ rückgeführt wird, bis sich eine Mikroorganismenkultur mit der gewünschten Schadstoff abbauleistung und Schadstofftoleranz etabliert hat. |
| 9. | Mikroorganismus DSM 11423. |
| 10. | Mikroorganismus DSM 11424. |
| 11. | Mikroorganismus DSM 11425. |
| 12. | Verwendung eines Mikroorganismus nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Anzucht von Mutanten oder Vaπanten derselben. |
| 13. | Verwendung eines Mikroorganismus nach Anspruch 9 oder 10 als Spen derorganismus für genetisches Material, insbesondere zur Insertion eines eine Formal¬ dehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase codierenden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz in einen Mikroorganismus oder eine Zelle. |
| 14. | Verwendung eines Mikroorganismus nach Anspruch 9 oder 10 zur Ge¬ winnung eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase codie renden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz. |
| 15. | Biomasse, erhalten durch Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8. |
| 16. | Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Abbaufermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem oder den Abbaufermentern enthält. |
| 17. | Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mutationsfermenter zur Kultivierung, mutagenen Be¬ handlung und Stabilisierung der Mikroorganismenkultur, einen Selektionsfermenter, Mittel zur Rückführung eines Teils der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Muta tionsfermenter, Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem Selektionsfer¬ menter, mindestens einen Abbaufermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkon¬ zentration in dem oder den Abbaufermentern enthält. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mikrobiellen Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteteπ Medien bei der Luft-, Abwasser- oder Bodenreinigung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Weiterhin betrifft die Erfindung für die Durchführung des Verfahrens geeignete Mikroorganismen und ihre Verwendung.
Als Sanierungsverfahren werden die Methoden bezeichnet, mit denen sich eine Schad- Stoffreduzierung in schadstoffbefrachteten Medien (Luft, Abwasser, Boden) erzielen läßt. Zu diesen Methoden gehören sowohl die thermische, physikalische oder chemi¬ sche Behandlung des kontaminierten Mediums als auch die biologische Schadstoffeli- minierung, bei der die im Medium enthaltenen Schadstoffe durch die Mikroorganismen zersetzt oder in andere Stoffe umgewandelt werden, deren Entsorgung unproblemati- scher ist. Für den effizienten Abbau von Schadstoffen geeignete Mikroorganismen müssen über die spezifische Abbaufähigkeit hinaus eine optimale Schadstofftoleranz und eine möglichst hohe genetische Stabilität aufweisen. Darüber hinaus dürfen geeig¬ nete Stämme nicht pathogen sein und keine gefährlichen End- oder Zwischenprodukte bilden.
Da an entsprechend kontaminierten Standorten durch die natürliche Selektion bereits eine Anreicherung von Mikroorganismen stattgefunden hat, die über besondere Ab¬ baufähigkeiten für diese Schadstoffe und über eine relativ gute Schadstofftoleranz verfügen, werden zur biologischen Schadstoffeliminierung häufig standorteigene Mikro¬ organismen verwendet. Standorteigene Mikroorganismen haben jedoch häufig den Nachteil, daß sie sich aufgrund ihrer niedrigen Abbauraten, ihrer niedrigen Toxin- toleranz oder ihrer Anfälligkeit gegen Fremdkeime für den Einsatz in umwelttechnischen
Anlagen nicht eignen Aus diesem Grund finden in der mikrobiellen Schadstoffeliminie- rung immer mehr "Spezialkulturen" Anwendung, die sowohl höhere Abbauraten als auch eine geringere Anfälligkeit gegen Fremdkeime, eine relativ hohe genetische Stabi¬ lität und/oder eine hohe Toxintoleranz aufweisen Durch den Einsatz von Spezialkultu- ren laßt sich eine gewisse Steigerung der Abbauleistung der Biozönose und eine Ver¬ kürzung von Anfahrzelten von Abbausystemen erzielen
Im Bereich der Umweltbiotechnik sind eine Reihe speziell für bestimmte Anwendungen gezüchteter Mikroorganismen kommerziell erhältlich Werden solche Mikroorganismen¬ kulturen bei den Abbauverfahren nach dem Stand der Technik eingesetzt, so tritt häufig das Problem auf, daß die Lebensdauer der eingesetzten Mikroorganismen und daher die Abbauleistung der Kultur begrenzt sind, weil die Spezialisten nach der Beimpfung absterben oder von anderen, zum Schadstoffabbau nicht beitragenden Mikroorganis¬ men verdrangt werden
Dies gilt besonders dann, wenn in dem schadstoffbefrachteten Medium Gemische aus toxischen und nichttoxischen Substanzen vorliegen Kommen solche Substratgemische vor, so werden die leichter abbaubaren Stoffe bevorzugt umgesetzt, da dies ener¬ getisch gunstiger ist Die adaptierten Spezialisten werden nicht weiter gefordert und entwickeln sich demnach nicht weiter Deshalb gelingt eine langfristige Etablierung der Kulturen bei den Abbauverfahren nach dem Stand der Technik meist nicht und aus die- sem Grund muß der Abbaufermenter, in dem die Abbaufermentation stattfindet, peri¬ odisch nachgeimpft werden, was zeit- und kostenintensiv und daher unwirtschaftlich ist
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zum mikrobiellen Abbau von Schadstoffen in schadstoffbefrachteten Medien so zu verbessern, daß eine langfristige Etablierung der zum Schadstoffabbau eingesetzten Mikroorganismenkulturen erreicht wird und gleichzeitig hohe Abbauraten erzielt werden Eine weitere Aufgabe der Erfin¬ dung ist es, Mikroorganismen, die sich zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Ver¬ fahrens eignen, sowie ihre Verwendung und eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens bereitzustellen
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in schadstoffbe- frachteten Medien bei der Luft-, Abwasser- oder Bodenreinigung gelost, bei dem eine kontinuierliche Abbaufermentation unter Einsatz von in dem schadstoffbefrachteten
Medium vorhandenen Mikroorganismen und/oder einer dem Medium zugesetzten
Mikroorganismenkultur in einem Abbaufermenter durchgeführt wird, wobei wahrend der Abbaufermentation die Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter mit Hilfe eines Re¬ gelkreises gesteuert wird
Diese Steuerung kann wahlweise dadurch erfolgen, daß die Schadstoffkonzentration zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert konstant gehalten wird f-oxinostatische Fermentation) oder dadurch, daß die Vitalität der Biomasse als Fuh- rungsgroße für die Regelung der Toxinkonzentration herangezogen wird (toxinodynamische Fermenation) Bei dieser toxinodynamischen Fermentation dienen z B der Sauerstoffverbrauch bzw die Zellatmung als Vitalitatsparameter Die obener- wähnten Regelungen der Schadstoffkonzentration im Fermenter erlauben es den Selektioπsdruck wahrend des Prozesses aufrechtzuerhalten Wahrend der toxinostati¬ schen oder toxinodynamischen Fermentation erfolgt aus dem Fermenter zwecksmaßig eine kontinuierliche Probennahme zur On-Line-Messung der Schadstoffkonzentration wobei die Art der Messung selbstverständlich von dem nachzuweisenden S chadstoff abhangt Die Regelung laßt sich so parametrisieren daß bei Erreichen eines bestimm¬ ten Schwellwertes die abzubauenden Schadstoffe in den Reaktor gepumpt werden wahrend beim Erreichen eines zweiten, oberen Konzentrationschwellwert.es der Zufluß der Schadstoffe herabgesetzt wird
In Figur 1 werden beispielsweise die Phenol- und Formaldehydkonzentration im Ablauf einer toxinostatischen Fermentation gezeigt Kurve A zeigt das Meßsignal der Konzen¬ tration von Phenol und Kurve B das Meßsignal der Konzentration von Formaldehyd im Fermenter Die schwarzen Blocke zeigen die Dauer der Pumpintervalle der Substratzu- fuhrung an
Das erfindungsgemäße Verfahren unter toxinostatischer Fermentatioπsfuhrung bringt für den technischen Schadstoffabbau im kontinuierlichen Reaktor zwei wesentliche Vor¬ teile. Zum einen können durch Vorgabe eines geeigneten Sollwerts für die Schad¬ stoffkonzentration im Reaktorausfluß vorgeschriebene Vorflutergrenzwerte eingehalten werden Zum anderen erlaubt diese Art der Regelung, hohe Schwankungen der Schadstoffkonzentration im schadstoffbefrachtetem Medium in dem kontinuierlichen Betneb effizient abzupuffern
Um zu verhindern, daß Mikroorganismen, die keinen Beitrag zum Schadstoffabbau lei¬ sten, sich auch im System etablieren liegt der untere Schwellwert der Schadstoffkon¬ zentration im Abbaufermenter vorzugsweise nicht unter der Okotoxizitatsgrenze von im Abbaufermenter eventuell vorhandenen, zum Schadstoffabbau jedoch nicht beitragen- den Mikroorganismen Die Okotoxizitatsgrenze ist diejenige Schadstoffkonzentration, bei der der Gesamtstoffwechsel des untersuchten biologischen Materials zusammen¬ bricht
In einer bevorzugten Durchfuhrungsform der Erfindung enthalt das schadstoffbefrach¬ tete Medium Formaldehyd und die zugesetzte Mikroorganismenkultur enthalt die Mikroorganismen DSM 11423 und/oder DSM 11424 oder Mutanten oder Vaπanten die¬ ser Mikroorganismen
Formaldehyd in wäßriger Losung, üblicherweise auch als Formahn bezeichnet wirkt extrem toxisch auf Mikroorganismen und ist eines der besten Desinfektions-, Konser- vierungs- und Steπlisationsmittel Die Formaldehydtoleranzwerte der bisher beschπe- benen Mikroorganismen liegen weit unterhalb der üblicherweise in problematischen Abwassern und Abfallen anfallenden Formalinkonzentrationen Daher war ein mikrobio¬ logischer Abbau von Formaldehyd in hohen Konzentrationen bislang nicht möglich Beim Einsatz der obengenannten Mikroorganismen in dem Verfahren gemäß der Erfin¬ dung entwickelt sich jedoch eine Mikroorganismenkultur, die in der Lage ist, Formalde- hydkonzentrationen von bis zu 5 500 mg/l zu tolerieren und den Schadstoff mit hoher Geschwindigkeit abzubauen
In einer weiteren Durchfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens enthalt das schadstoffbefrachtete Medium Phenol und die Mikroorganismenkultur enthalt den Mikroorganismus DSM 11425 oder Mutanten oder Varianten dieses Mikroorganismus Der Abbau von Formaldehyd und Phenol wahrend derselben Fermentation ist bei gleichzeitigem Einsatz von DSM 11425 mit DSM 11423 und/oder DSM 11424 ebenfalls möglich
Die Mikroorganismen DSM 11423, DSM 11424 und DSM 11425 wurden am 21 02 1997 bei der DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen Mascheroder Weg 1 b, D-38124 Braunschweig - hinterlegt Zu den physiologischen und baktenologischen Eigenschaften dieser Mikroorganismen wird auf die Tabellen 1 und 2 verwiesen
Der Mikroorganismus DSM 11423 wurde aus einer formalingetränkten Gewebeprobe isoliert und zunächst als Methylobacterium βxtorquens identifiziert. Bei Abbaufermen¬ tationen unter verschiedenen Bedingungen zeigt DSM 11423 eine maximale Abbau¬ geschwindigkeit für Formaldehyd von 1612 nmol/min * mg und eine Toleraπzgrenze für diesen Schadstoff von 10 mM. DSM 11423 besitzt die höchste Abbaugeschwindigkeit und den kleinsten Ks-Wert der im Rahmen der Erfindung untersuchten formaldehyd- abbauenden Stämme (696 μM) und ist in der Lage, den Formaldehydgehalt eines formaldehydbefrachteten Mediums durch Abbau auf nahezu Null zu reduzieren. Die Schadstofftoleranz ist dagegen mit 10 mM (300 mg/l) gering. Der Abbau des Formal- dehyds erfolgt im ersten Schritt über eine Oxidation zu Ameisensäure, katalysiert durch die glutathionabhängige Formaldehyddehydrogenase. Die spezifische Aktivität dieses Enzyms im Rohextrakt ist mit etwa 1 ,6 lU/mg Protein sehr hoch.
Der Mikroorganismus DSM 11424 wurde ebenfalls aus einer formalingetränkten Gewe¬ beprobe isoliert und zunächst als Pseudomonas putida identifiziert. Bei Abbaufermen- tationen unter verschiedenen Bedingungen zeigte DSM 11424 eine maximale Abbau¬ geschwindigkeit für Formaldehyd von 784 nmol/min * mg und eine Toleraπzgrenze für diesen Schadstoff von 100 mM. DSM 11423 besitzt im Vergleich zu anderen unter¬ suchten formaldehydabbauenden Stämmen eine mittlere Abbaugeschwindigkeit aber den höchsten K s -Wert (11643 μM) und ist in der Lage, Formaldehyd auch noch bei sehr hohen Konzentrationen abzubauen. Durch den hohen K s -Wert läßt sich der Form¬ aldehydgehalt des Mediums durch Reinkulturen dieses Mikroorganismus auf ca. 200 mg/l reduzieren. Der Formaldehydabbau erfolgt wie bei DSM 1 1423 im ersten Schritt über eine Oxidation zu Ameisensäure, katalysiert durch die glutathionabhängige Formaldehyddehydrogenase. Die spezifische Aktivität dieses Enzyms im Rohextrakt ist nur gering.
Der Mikroorganismus DSM 11425 wurde aus einer Bodenprobe isoliert und ist in der Lage, Phenol mit einer gegenüber standorteigenen Mikroorganismen deutlich höheren Abbaurate umzusetzen. Die partielle Sequenzierung der 16S-rRNA dieses Mikroorga¬ nismus ergab eine Ähnlichkeit von 99,1 % zum Typ-Stamm Klebsiella oxytoca.
Der aerobe Phenoiabbau erfolgt in einem ersten Schritt durch eine durch die Phenol- hydroxylase katalysierte NADH- bzw. NADPH-abhängige orf/70-Hydroxylierung des Phenols. Als Produkt entsteht dabei Catechol, ein zentrales Zwischenprodukt in den meisten Aromatenabbauwegen. Catechol wird auf zwei Arten metabolisiert: zum einen
durch die chromosomencodierte o/tΛo-Spaltung, zum anderen über die plasmidcodierte mete-Spaltung, wobei die ortήo-Spaltung durch ihr Produkt, cis.αs-Muconsaure und die mete-Spaltung durch Phenol induziert wird Die Expression der jeweiligen Enzyme laßt sich im Rohextrakt anhand der unterschiedlichen Absorptionsmaxima der entstehenden Produkte, cis.cis-Muconsaure (λmax = 260 nm) und 2-Hydroxymuconsauresemιaldehyd (λmax = 375 nm) verfolgen In Tabelle 3 werden die spezifischen Aktivitäten und
Michaehskonstanten im Rohextrakt des Mikroorganismus DSM 1 1425 gezeigt Die kinetischen Parameter ganzer Zellen betragen 7-9 μM (K s ), 400-500 nmol/mιn*mg (vmax) sowie 1 ,83 mM für die Hemmkonstante Ksi
In einer weiteren Durchführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens wird das aus der Abbaufermentation abfließende Medium einer zweiten Abbaufermentation unterzo¬ gen, wobei der untere Schwellwert der Schadstoffkonzentration im Abbaufermenter bei der zweiten Abbaufermentation niedriger als bei der ersten Abbaufermentation hegt Eine Steigerung der Abbaueffizienz wird erreicht, indem die Schadstoffkonzentration in dem ersten Fermenter unabhängig von der des zweiten Fermenters so eingestellt wird daß eine optimale Enzyminduktion und somit eine entsprechend hohe Abbauge¬ schwindigkeit erzielt wird Die Schadstoffkonzentration im zweiten Fermenter wird dann so eingestellt, daß die Schadstoffkonzentration im Ablauf dem vorgeschriebenen Ein- leitgrenzwert entspricht
Vorzugsweise wird die Mikroorganismenkultur vor der Zugabe in das schadstoffbe¬ frachtete Medium in einem ein nährstoffreiches Medium enthaltenden Mutationsfer- menter kultiviert einer mutagenen Behandlung unterzogen und stabilisiert und an¬ schließend in einem Selektionsfermenter, der ein nahrstoffarmes, mit dem oder den Schadstoffen angereichertes Medium enthalt, einer Selektion unterzogen wobei ein Teil der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter kontinuierlich so lange zurückgeführt wird, bis sich eine Mikroorganismenkultur mit der gewünschten Schadstoffabbauleistung und Schadstofftoleranz etabliert hat
Bei dieser Durchfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens wird der Abbau¬ fermentation ein Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen vorgeschaltet, das auf dem Prinzip der evolutiven Optimierung beruht Es wird hier auf das deutsche Patent Nr 195 07 103 des Anmelders verwiesen
Die oben beschriebenen Mikroorganismen DSM 11423, DSM 11424 und DSM 11425 werden erfindungsgemäß zur Anzucht von Mutanten oder Varianten verwendet. Die Anzucht kann beispielsweise durch Selektion spontan vorkommender Mutationen erfol¬ gen. Andere Möglichkeiten umfassen z.B. die Mutation durch Einwirkung chemischer Stoffe und/oder radioaktiver Strahlung und/oder von UV-Licht. Dadurch können Mutan¬ ten und Varianten erhalten werden, die verbesserte Eigenschaften aufweisen, bei¬ spielsweise bezüglich der Schadstoffabbauleistung oder der Schadstofftoleranz.
Des weiteren werden die erfindungsgemäßen Mikroorganismen DSM 11423 und DSM 11424 als Spenderorganismus für genetisches Material verwendet, insbesondere zur Insertion eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formaldehyddismutase codierenden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz in einen Mikroorga¬ nismus oder eine Zelle. Der Einbau des Gens in den Empfängerorganismus erfolgt mit den in der Mikrobiologie üblichen Methoden, z.B. mit Hilfe eines Vektors. Durch Ex¬ pression des eingebauten Gens in dem Empfängerorgaπismus können größere Men- gen eines für den Schadstoffabbau relevanten Enzyms, beispielsweise der Formalde¬ hyddehydrogenase, produziert werden. Die vorgenannten Mikroorganismen werden ebenfalls zur Gewinnung eines eine Formaldehyddehydrogenase oder Formalde¬ hyddismutase codierenden Gens und/oder der dazugehörigen Promotorsequenz zwecks Sequenzanalyse verwendet.
Die Biomasse, die man durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält, läßt sich vorteilhaft zur /n-s/Y-z-Bodensanierung verwenden, bei der die Schadstoffe von abbaufähigen Mikroorganismen direkt im Boden abgebaut werden, ohne das Erdreich abzutragen und damit die Bodenstruktur zu verändern.
Zur Lösung einer weiteren Aufgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchfüh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die mindestens einen Abbau¬ fermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem oder den Abbau- fermentern enthält. In ihrer einfachsten Ausführungsform enthält die Vorrichtung einen Abbaufermenter und die dazugehörigen Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentra¬ tion im Fermenter, es sind aber auch mehrere parallele Fermenter denkbar, die gleich- zeitig mit schadstoffbefrachtetem Medium beschickt und angeimpft werden können. Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 werden zwei aufeinanderfolgende Ab¬ baufermenter vorgesehen, in denen die Schadstoffkonzentration unabhängig vonein¬ ander durch entsprechende Regelkreise eingestellt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 wird eine Vorrichtung bevorzugt, die einen Mutationsfermenter zur Kultivierung, mutagenen Behandlung und Stabilisie¬ rung der Mikroorganismenkultur, einen Selektionsfermenter, Mittel zur Rückführung eines Teils der Kultur aus dem Selektionsfermenter in den Mutationsfermenter, Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem Selektionsfermenter, mindestens einen Abbaufermenter und Mittel zur Regelung der Schadstoffkonzentration in dem oder den Abbaufermentem enthält.
Das Wesen der Erfindung wird im folgenden anhand einiger Beispiele erläutert, ohne die Erfindung darauf einzuschränken.
Beispiel 1
Ein Fermenter mit einem Reaktorvolumen größer als 10 1 wird kontinuierlich mit einem Krankenhausabwasser beschickt, welches Formaldehyd in schwankenden Konzentra¬ tionen zwischen 50 g/1 und 200 g/1 enthält. Außer Formaldehyd enthält das Wasser verschiedene andere organische Stoffe. Dem Abwasser werden vor der Reaktoreinlei- tung folgende Medienkomponenten zugesetzt:
NH4N03 7,6 mM
K2HP04/KH2PO4 6,0 mM
MgSθ4 * 7H2θ 1 ,2 mM
CaCl2 0,9 mM N NaaCCII 0 0,,55 mM
ZnSθ4 0,1 mM
FeSθ4 0,07 mM
Die eingeleitete formaldehydhaltige Lösung enthält aufgrund ihrer hohen Toxizität keine lebensfähigen Mikroorganismen, sie wird jedoch sicherheitshalber vor dem Einleiten einer UV-Strahlung in letaler Dosis ausgesetzt. Der Reaktor wird mit einer Mischkultur angeimpft, die die Mikroorganismen DSM 11423 und DSM 11424 enthält.
Das Verfahren wird im Bereich von pH 5,0 bis 8,5 und unter pθ2-Regulierung bis zu 10% der maximalen Sauerstoff-Sättigungskonzentration des Abwassers geführt. Die Abbaufermentation erfolgt bei Temperaturen zwischen 5 und 45°C, insbesondere zwi- sehen 22 und 30°C. Die Kulturführung erfolgt aerob, kontinuierlich und in toxinostati- schem Betrieb: Die Formaldehydkonzentration im Reaktor wird kontinuierlich gemessen
und durch Regelung des Zuflusses zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert konstant gehalten Diese Schadstoffkonzentration erfordert von den Mikroorganismen eine relativ hohe Schadstofftoleranz Der mikrobielle Formalde¬ hydabbau bewirkt, daß die Differenz zwischen der Schadstoffkonzentration des in die Anlage eingeleiteten Abwassers und der Konzentration im Ablauf sehr hoch ist Das aus dem Reaktor abfließende Wasser enthalt eine Restkoπzentration an Formaldehyd, welche in einem Nachklärbecken mikrobiell restlos abgebaut wird
Beispiel 2:
Ein großtechnischer Fermenter wird kontinuierlich mit einem industriellen Abwasser aus der Bakelit-Produktion beschickt, welches Formaldehyd in schwankenden Konzentra¬ tionen zwischen 8 g/1 und 12 g/1 enthalt Außer Formaldehyd enthalt das Abwasser Phenol in einer Konzentration von 40 g/1 und verschiedene andere organische Kompo¬ nenten Dem Abwasser werden vor der Reaktoreinleitung die oben angegebenen Medienkomponenten zugesetzt Die eingeleitete formaldehyd- und phenolhaltige Lo- sung enthalt aufgrund ihrer hohen Toxizitat keine lebensfähigen Mikroorganismen, sie wird jedoch sicherheitshalber vor dem Einleiten einer UV-Strahlung in letaler Dosis aus¬ gesetzt
Der Reaktor wird mit einer Mischkultur angeimpft, die die Mikroorganismen DSM 11423, DSM 11424 und DSM 11425 enthalt Das Abbauverfahren erfolgt wie oben angegeben Die Formaldehydkonzentration im Reaktor wird kontinuierlich gemessen und durch Regelung des Zuflusses zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert konstant gehalten Diese Schadstoffkonzentration erfordert von den Mikroorganismen eine relativ hohe Schadstofftoleranz Der mikrobielle Formaldehydab¬ bau bewirkt, daß die Differenz zwischen der Schadstoffkonzentration des in die Anlage eingeleiteten Abwassers und der Konzentration im Ablauf sehr hoch ist Simultan zum Formaldehydabbau erfolgt im Reaktor ein mikrobiologischer Phenolabbau Das aus dem Reaktor abfließende Wasser enthalt eine Restkonzentration an Formaldehyd und/oder Phenol, welche in einem Nachklärbecken mikrobiell abgebaut wird
Beispiel 3:
Jeweils 10 ml Medium mit der Zusammensetzung
Pepton Nr. 5 5,0
Fleischextrakt 3,0 g/ι pH 7,0
werden mit 0,1 g in Formalin gelagertem formalinhaltigem Gewebe anatomischer Prä¬ parate verschiedener Probenahmestellen in 50 ml Erlenmeyerkolben bei 30°C unter leichtem Schwenken auf einer Rotationsschüttelmaschine 24 Stunden lang inkubiert. Jeweils 250 μl dieser Kultur werden in 5 ml Mineralmedium mit Formaldehyd als einzi- ger Kohlenstoffquelle mit der folgenden Zusammensetzung überimpft:
NH4N03 7,6 mM
K2HP04/KH2P04 6,0 mM
MgSθ4*7H2θ 1 ,2 mM
CaCl2 0,9 mM N NaaCCII 0 0,,55 mM
ZnS04 0,1 mM
FeS04 0,07 mM
Formaldehyd 2,0 mM pH 7,0
Nach dreitägiger Inkubation wird die Kultur in 150 ml des obengenannten Mediums überführt. Nach weiterer viertägiger Inkubation wird eine Verdünnungsreihe sowie eine Teilcharakterisierung der entstandenen Kolonien durchgeführt. Diese Kultur dient als Animpfkultur für die folgende toxinostatische Fermentation
Über einen längeren Zeitraum wird in einem kontinuierlich-toxinostatisch geführten Fermentationsprozeß eine Mischkultur unter periodischer Ultraviolettbestrahlung opti¬ miert. Die dabei im Fermenter über einen Regelkreis eingestellte Formaldehydkonzen¬ tration wird während dieses Zeitraumes in Abhängigkeit von der Vitalität der Gesamtkul¬ tur sukzessive erhöht.
Zu verschiedenen Fermentationszeitpunkten werden Proben aus dem Fermenter ent- nommen und einer mikrobiologischen Untersuchung nach den üblichen Methoden un-
terzogeπ Wenn keine Steigerung der Abbauleistung und Resistenz mehr beobachtet werden kann, wird die Kultur geerntet und zum Animpfen einer Abbaufermentation entsprechend dem Beispiel 1 eingesetzt
Die ursprünglich selektierten Stamme weisen eine für natürlich vorkommende Mikro- Organismen sehr hohe Formaldehydresistenz von 500-6000 mg/l Formaldehyd auf Im Verlauf der Fermentation können Resistenz und Abbauraten der ursprunglichen Kultur noch um jeweils ca den Faktor 10 gesteigert werden
Beispiel 4:
Ein Produktionsbetπeb verklebt seine Erzeugnisse mit formaldehyd- und phenolhaltigen Klebstoffen Die Klebemittelruckstande werden gesammelt und regelmäßig zu einer zentralen biologischen Entsorgungseinrichtung transportiert Hier werden die Abfalle gemeinsam mit anderen flussigen formaldehyd- und/oder phenolhaltigen Abfallchargen aus unterschiedlichen Quellen biologisch entsorgt Der der Anlage zugefuhrte Abfall¬ strom schwankt aufgrund der Heterogenitat der zugefuhrten Abfallchargen in Bezug auf die Formaldehyd- und Phenolkonzentration sehr stark
Der Phenolindex und die Formaldehydkonzentration werden im Bioreaktor der Entsor¬ gungsanlage "on-line" und kontinuierlich gemessen Erreicht einer der beiden Meßpa¬ rameter die zulassige obere Grenzkonzentration, wird die Schadstoffzufuhrung in den Reaktor gestoppt, bis der obere Schwellwert wieder unterschritten wird Fallt der Phenolindex und/oder die Formaldehydkonzentration auf einen festgelegten unteren Konzentrationswert, wird durch Erhöhung der Durchflußrate oder durch zusatzliche Zu- dosierung des jeweils limitierten Schadstoffes diese wieder über den unteren Schwell¬ wert angehoben Auf diese Weise kann trotz Beschickung des Bioreaktors mit qualitativ höchst unterschiedlichen Abwasserchargen eine optimal abbauende Spezialkultur sta- bilisiert werden
Beispiel 5:
Die formaldehydbelastete Luft in der Umgebung einer Produktions- und Verarbei- tungsstatte muß gereinigt werden, um unter die zulassigen MAK-Werte in der Luft zu kommen Die Formaldehydbelastungen in der Luft schwanken Zur Reinigung der Luft wird ein Luftwascher eingesetzt, der den gasformigen Formaldehyd vom Medium Luft in das Medium Wasser transfenert Das formaldehydbelastete Waschwasser wird an-
schließend einer toxinostatisch geregelten biologischen Klarstufe zugeführt, wo der Formaldehyd biologisch eliminiert wird Anschließend wird das so regenerierte Wasch¬ wasser wieder der Luftwascheranlage zugeführt, um erneut Formaldehyd aus der Luft aufzunehmen
Beispiel 6:
Große Mengen phenolbelasteter Abwasser fallen bei der Sanierung von ehemaligen Lagerstatten des Braunkohletagebaus an Wahrend dieser Sanierung wird Grund- und Niederschlagwasser mit Phenolen verunreinigt Der Verschmutzungsgrad liegt in der
Regel zwischen 500-1500 mg/l Phenolindex und der Abwasservolumenstrom pro Sanie-
3 rungsstandort zwischen 100 000 und 200 000 m /Jahr Die relativ kontinuierlich anfal¬ lenden Abwasserstrome werden einer mehrstufigen Behandlungsanlage zugeführt, deren zentrale und wichtigste Komponente ein toxinostatisch betriebener Bioreaktor mit
3 einem Arbeitsvolumen von 10 m ist Hier werden die im Abwasser enthaltenen Phe¬ nole bis zu einer unteren Grenzkonzentration eliminiert Die restliche Phenolbelastung wird in einer weniger energieintensiven Tropfkorperbiologie abgebaut
Beispiel 7:
Glutaraldehyd wird im Krankenhausbereich zur Reinigung und Desinfektion von Ar¬ beitsflächen verwendet Ablaufendes, mit Glutaraldehyd kontaminiertes Waschwasser wird einem toxinostatisch (Regelgroße ist die Glutaraldehydkonzentration) betriebenen
3 Reaktor mit einem Arbeitsvolumeπ von 1 m zugeführt Glutaraldehyd wird im Reaktor zu einem großen Teil biologisch eliminiert und das Waschwasser anschließend weiter- behandelt
Beispiel 8:
Ein mit Benzol verunreinigter Boden wird in einer Bodenwaschanlage gereinigt Das mit Benzol belastete Waschwasser wird einem toxinostatisch betriebenen Bioreaktor (Regelgroße ist die Benzolkonzentration) zugeführt Nach der biologischen Beseitigung eines Großteils des Benzols im Waschwasser wird dieses erneut zur Bodenwasche verwendet
Beispiel 9:
Während einer In-situ-Bodensanierung fällt ein mit verschiedenen polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) belasteter Grundwasserstrom an Dieser wird über Grund¬ wasserlanzen mit Hilfe von Saugpumpen zu Tage befördert und einer toxinostatisch betriebenen biologischen Klärstufe zugeführt. Dem Bioreaktor wird kontinuierlich ein Probenstrom entnommen und dieser kontinuierlich über Hochdruckflüssigkeit¬ schromatographie (HPLC) gekoppelt mit Fluoreszenzchromatographie auf Qualität und Quantität der enthaltenen verschiedenen PAK analysiert. Als Regelgröße der toxino¬ statischen Regelung wird zu jedem Zeitpunkt die jeweils im Gesamtspektrum der PAK am höchsten konzentrierte PAK-Spezies herangezogen.
Tabelle 1
DSM 11423 DSM 11424
Identifizierung
Gramfärbung: - Gramfärbung: - kleine runde glatte mittelgroße leicht Kolonien fransige Kolonien kleine kokkoide Stäbchen Stäbchen
API 20 NE:
Nitrat
Tryptophan Glucose
Arginin Dihydrolase Urease Aesculin Gelatine p-Nitrophenyl-ß-D-galactopyranosid. Assimilationstests Glucose Arabinose Mannose Mannitol
N-Acetylglucosamin Maltose Gluconat + Caprat + Adipat + Malat + + Citrat + +
Phenyllactat + + Oxidase + +
Tabelle 2
Eigenschaften DSM 11425
Zellform Stabchen ONPG
Breite μm 1,0-1 ,2
Lange μm 1 ,2-2,0 ADH
Beweglichkeit
Gram-Reaktion - ODC
Lyse durch 3% KOH +
Aminopeptidase (Cerny) + VP
Sporen - H 2 S-Bιldung
Oxidase
Catalase + Simmons Citrat
Wachstum + anaerob
Saure aus (OF-Test) + Phenylalanin- desaminase
Glucose aerob + Glucose anaerob + Malonatverwertung
Gas aus Glucose + Saure aus (ASS) + Urease
Glucose +
Fructose + Hydrolyse von
Xylose + Gelatine
Erythπt DNA
Adonit + Tween 80
D-Mannose +
L-Rhamnose +
Dulαt +
Inosit +
Sorbit + α-Methyl-D-glucosid +
Cellobiose +
Maltose +
Lactose +
D-Arabitol +
Tabe l l e 3
spezifische Aktivitäten und Michaeliskonstanten im Rohextrakt
l) Die Dehydrogenaseakrivitat wurde durch Subtraktion der Hydrolaseaktivitat (ohne NAD " im Test) von der Summe aus beiden Aktivitäten (NAD " im Test) bestimmt. b) Phenol niedrig: Konzentration im Mittel ca. 100 mg/l Phenol; Phenol hoch: Konzentration 200 - 500 mg/l Phenol während der gesamten Kultivierung der Zellen.
Abkürzungen: 2-HMS. 2-Hyo^oxymuconsäuresernialdehyd, n.d.. nicht durchgeführt