Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Sonderforschungsbereich SFB 188

7. Kurzfassungen der Teilprojekte

7.2 Projektbereich B: Biologische Verfahrensentwicklung

Teilprojekt B1 (Prof. Kasche, Prof. Mahro)

Mikrobieller Abbau von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in teerölkontaminierten Böden

In den ersten beiden Förderphasen sind eine Reihe von Vorschlägen erarbeitet worden, wie der mineralisierende Abbau von PAK im künstlich kontaminierten Modellboden entweder durch Aktivierung der autochthonen Mikroflora, durch Zugabe von laborgezüchteten Spezialkulturen, Kompost oder WeißfäulepilzStrohsubstrat stimuliert werden kann. Außerdem konnte mit Hilfe von RadiotracerExperimenten nachgewiesen werden, daß nur ein Teil der im Boden verbliebenen PAKMenge wieder extrahierbar ist und somit das Verschwinden von PAK im Boden zum Teil auch auf einer, zumindest mit organischen Lösemitteln irreversiblen Festlegung im Boden beruhen muß (PAK-Humifizierung; Abb. 1).

Abbildung 1: Illustration des Zusammenhangs zwischen Stofftransport, der in der Wasserphase gelösten PAK-Konzentration und den mikrobiellen PAK-Transformationsprozessen im Boden (WLmax = maximale Wasserlöslichkeit)

Ein bisher im Zuge der Untersuchungen noch ungelöst gebliebenes Problem ist die Tatsache, daß a) PAK mit mehr als 4 anellierten Ringsystemen (hmw PAK) ohne spezielle Behandlung im Boden vermutlich auf Grund ihrer zu geringen Wasserlöslichkeit nur unvollständig oder gar nicht abbaubar sind und daß b) unter Umständen auch ein Teil der einer biologischen Transformation grundsätzlich zugänglichen PAKFraktion (PAK mit 24 Ringsystemen) über die irreversible Festlegung hinaus auch durch Sorption einem mikrobiellen Abbau entzogen werden können. Die PAK bleiben in diesem Fall organisch extrahierbar, sind aber für die Bakterien über die Wasserphase nicht mehr oder nur sehr langsam verfügbar (Abb. 1). Das Problem der geringen Bioverfügbarkeit als limitierender Faktor des mikrobiellen Abbaus von PAK im Boden soll in der 3. Antragsphase in zwei Richtungen weiterbearbeitet werden:

1. Es soll versucht werden, die in der ersten Behandlungsstufe zurückbleibenden sorbierten oder hmw PAK (PAKRestplateau) durch nachgeschalteten Einsatz gut abbaubarer Pflanzenöle von der Bodenmatrix zu desorbieren und so einem biologischen Abbau zugänglich zu machen. Der Boden soll anschließend z.B. durch Einsatz von Kompost biologisch regeneriert werden.

2. Der schon in der letzten Antragsphase begonnene Versuch im Boden sorbierte PAK in der Huminstoffmatrix selbst ("in situ") dauerhaft zu immobilisieren und einzubinden (kontrollierte Humifizierung) soll fortgeführt und optimiert werden. Dazu sollen in der dritten Förderphase in Kooperation mit anderen Teilprojekten die Grundlagen dieser Vorgänge weiter untersucht und soweit aufgeklärt werden, daß eine noch gezieltere und effizientere Einbindung der PAK in die Humusmatrix möglich wird.

Darüber hinaus sollen in der dritten Antragsphase nachdem in den vorangegangenen beiden Förderphasen vor allem Untersuchungen zum Abbau einzelner PAKModellverbindungen in künstlich kontaminierten Modellböden im Vordergrund der Arbeit gestanden haben nun durchgängig reale Altlastproben in die Untersuchungen einbezogen werden. Dadurch soll geklärt werden, a) inwieweit und unter welchen Bedingungen die bisher identifizierten biologischen Abbauwege und Abbaumechanismen auch in einer komplexen Schadstoffmatrix wie z.B. Teeröl in einem realen Altlastboden relevant sind und b) ob und wie die Befunde zur Optimierung biologischer Reinigungsverfahren dienen können.

Teilprojekt B3 (Prof. Stegmann)

Reinigung kontaminierter Böden in Bioreaktoren

Für Untersuchungen zur Optimierung und Bilanzierung des mikrobiellen Schadstoffumsatzes wurden unterschiedliche Testsysteme und Laborreaktoren (statisch und dynamisch) eingesetzt. Die in der ersten Antragsphase verwendeten Reaktorsysteme (Festbett und SchaufelmischerReaktor) zum mikrobiologischen Abbau organischer Schadstoffe wurden sowohl bezüglich der Milieubedingungen (z.B. Sauerstoffzufuhr, Wassergehalt des Bodens, Temperatur) als auch bzgl. verfahrenstechnischer Parameter (Drehzahl, Mischhäufigkeit) optimiert. Somit konnten in den Mischreaktoren die Pelletbildung vermindert, die lagPhase verkürzt und die Abbauleistung erhöht werden. Dennoch werden Mischreaktoren für die biologische Reinigung "trockener" Bodenmaterialien (Wassergehalt des Bodenmaterials < maximalen Wasserhaltekapazität des Materials) nur für spezielle Einsatzbereiche empfohlen. Einerseits ist die Pelletbildung, die zur Senkung der mikrobiellen Aktivität und damit der Schadstoffumsetzung führt, nur schwer vermeidbar, andererseits sind die höheren Kosten (Investition und Betriebskosten) gegenüber einer kontrollierten Mietenbehandlung nicht durch den zeitweise verbesserten Schadstoffumsatz gerechtfertigt.

Die Behandlung stark bindiger kontaminierter Böden ist in Mieten nur bedingt möglich. Hier geht der Entwicklungstrend in Richtung slurryBehandlung, bei der das Bodenmaterial in Wasser suspendiert und dann biologisch behandelt wird. Diese Behandlungsart weist eine Reihe von Vorteilen auf:

• kontrollierte Beeinflussung der Schadstoffumsetzung
• vollständige Erfassung aller Emissionen
• Vermeidung der Pelletbildung (Vergleich: Trockenbehandlung)
• einfache verfahrenstechnische Umsetzung: Dosierung von Zuschlagstoffen, Homogenisierung, Regelung der Betriebsparameter
• verbesserter Schadstoffübergang/umsatz

Ferner soll die Wirkungsweise und Reaktionskinetik der verwendeten Komposte näher erforscht werden.

Um die Bioverfügbarkeit der organischen Schadstoffe zu erhöhen und damit eine Effektivitätssteigerung der biologischen Bodenbehandlung zu erreichen, werden neue Techniken zur chemischphysikalischen und thermischen Vorbehandlung eingesetzt.

Teilprojekt B4 (Prof. Steinhart, Dr. Haupt)

Weiterführende Analytik zu den biochemischen und chemischen Produkten aus dem Mineralölabbau im Boden und aus technischen Prozessen

Organische Kontaminationen unterliegen im Boden einer Vielzahl von mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ablaufenden Abbau und Verteilungsprozessen. Neben der erwünschten vollständigen Mineralisierung sind weitere mögliche Vorgänge wie die Sorption der Schadstoffe an die organische oder die anorganische Bodenmatrix, photolytische Reaktionen und die vorübergehende oder ggf. endgültige Akkumulation von Metaboliten des mikrobiellen Abbaus zu berücksichtigen. Verfahren der biologischen Bodenreinigung bedürfen daher einer eingehenden chemischanalytischen Bewertung auf molekularer Ebene. Anschließend an die Erfassung der Ausgangssituation, insbesondere der toxikologisch und/oder wegen ihrer Abbauresistenz relevanten Schadstoffklassen, ist während der gesamten technologischen Behandlung der Verbleib der Kontamination zu untersuchen.

Die bisherigen Erfahrungen zum Abbauverhalten von Mineralölbestandteilen und zur Metabolitenbildung in Böden werden in Untersuchungen an komplexeren Mischkontaminationen erweitert. In mit Mineralölkohlenwasserstoffen und weiteren Schadstoffklassen (Schwermetalle, chlororganische Verbindungen, heterocyclische aromatische Verbindungen, Nsubstituierte Aromaten) kontaminierten Böden sollen die synergistischen und antagonistischen Wirkungen auf den mikrobiellen Mineralölabbau aufgeklärt werden. Die Analytik der Mineralölkontaminationen erfolgt mit den im Teilprojekt B4 entwickelten Extraktions und Aufreinigungsmethoden und anschließender Identifizierung und Quantifizierung mittels CGC-MSD, HRGC-ECD und HPLC-UV-DAD.

In einem zweiten Forschungsschwerpunkt werden durch regelmäßig durchgeführte Untersuchungen an künstlichen und realen Mischkontaminationen zeitliche Veränderungen in der Bioverfügbarkeit organischer Schadstoffe (Alterungsvorgänge) verfolgt. Um das veränderliche Gefährdungspotential abschätzen zu können, werden die Ergebnisse durch ökotoxikologische Tests des Teilprojektes C1 ergänzt.

Weitere Hinweise auf die mit dem organischen Kohlenstoffgehalt korrelierte Bioverfügbarkeit werden mit kernresonanzspektroskopischen Methoden erwartet. Zur Aufklärung von Struktur und Bindungsformen der in die Humusmatrix eingebauten Minorkomponenten und ihrer Oxidationsprodukte wird im Teilprojekt B4 die 13C-Festkörper-NMR eingesetzt. Ergänzt um Untersuchungen zur Wirkungsweise der Kompostmaterialien (B3), Experimente mit 13C und 14Cmarkierten Verbindungen (B1, D6) sowie Messungen mittels Hochauflösungs-NMR (D5) soll das System HumusSchadstoff näher beschrieben werden.

Teilprojekt B5 (Prof. Müller)

Einfluß von Böden auf die Fähigkeit von Bakterien, chlorierte Kohlenwasserstoffe abzubauen

In der Literatur sind eine Reihe von Bakterien beschrieben, welche in der Lage sind xenobiotische Stoffe in Flüssigkultur abzubauen. Diese Bakterien werden in vielen Fällen zur Reinigung kontaminierter Böden eingesetzt. Dabei wird oft vorausgesetzt, daß dieselben Abbauvorgänge wie in Flüssigkultur in der gleichen Weise auch im Boden ablaufen. In dem vorliegenden Projekt wird daher untersucht, inwieweit verschiedene Böden beziehungsweise Bodenfraktionen einen Einfluß auf die Leistungen von Bakterien mit der Fähigkeit zum Abbau chlorierter Verbindungen besitzen. Eine Reihe solcher Bakterien sind in anderen Projekten isoliert und charakterisiert worden. In der ersten Phase des Projektes wurde intensiv das Modellsystem Pseudomonas CBS 3 mit 4-Chlorbenzoesäure als Substrat untersucht.

Dazu wurden diese Bakterien in verschiedene Modellböden eingebracht und mit Substrat versetzt. Der Einfluß verschiedener Parameter während der Inkubation wie z.B. pH, Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoffgehalt, zusätzliche Kohlenstoffquellen, Bodenart, Inokkulumsgröße, Bakterienspezies usw. auf den Abbau wurde untersucht.

Der Vergleich des Abbaus im Boden mit den Ergebnissen in Flüssigkultur unter verschiedenen Bedingungen ergab, daß in diesem System die Abbauleistung der Organismen im Boden durch die Versuche mit Flüssigkulturen vorhergesagt werden kann, und daß ein spezifischer Einfluß des Bodens auf die Abbauleistung der eingesetzten Bakterien nicht gegeben war.

Im weiteren Verlauf dieses Projektes soll geklärt werden, inwieweit diese Ergebnisse auf komplexere Systeme, wie sie in Altlasten häufig vorliegen, übertragbar sind.

Durch dieses Projekt sollen grundlegende Erkenntnisse darüber gewonnen werden, inwieweit Ergebnisse aus Versuchen mit Bakterien in Flüssigkulturen auf die Verhältnisse in Boden übertragbar sind und welche verfahrenstechnischen Bedingungen hierfür erfüllt sein müssen.

Teilprojekt B6 (Prof. Märkl, Prof. Antranikian)

Behandlung von organisch kontaminierten Fluiden aus der Bodenreinigung mit Hilfe extrem thermophiler Mikroorganismen

Bei höheren Temperaturen (60 - 90 Grad C) steigt die Löslichkeit und damit die Bioverfügbarkeit von hydrophoben organischen Verbindungen in Wasser. Eine Bodenreinigung bei höheren Temperaturen würde also schon rein physikalisch einen Vorteil bringen. Hinzu kommt, daß verbesserte Diffusion bei den höheren Temperaturen sowie eine geringere Viskosität und schnellerer Stofftransport für einen Prozeß auf höherem Temperaturniveau sprechen, wenn auch der Schadstoffabbau biologisch erfolgen soll.

In den vergangen Jahren wurden nun zunehmend Mikroorganismen bekannt, die in dem genannten Temperaturbereich ihre optimalen Wachstumsbedingungen finden. Auf Grund der Bedingungen, unter denen diese Mikroorganismen isoliert wurden, sind hier interessante Abbauleistungen jedoch kaum zu finden. Daher wurde mit der eigenen Isolierung von extrem thermophilen Mikroorganismen aus kontaminierten Standorten begonnen. Benzoat, Phenol, Naphthalin und synthetisches Dieselöl konnten von den Mikroorganismen als alleinige Kohlenstoff und Energiequelle genutzt werden. Das Screening nach ölabbauenden Mikroorganismen wird fortgesetzt.

In enger Kooperation zwischen Mikrobiologen und Ingenieuren der Verfahrenstechnik sollen nun Verfahren entwickelt werden, die extrem thermophile Mikroorganismen für die Bodenreinigung nutzbar machen. Dabei können die innerhalb der Gruppe bestehenden Erfahrungen mit thermophilen Mikroorganismen (Isolierung, Suche nach speziellen Abbauleistungen, Enzymcharakterisierung), Fermentationssystemen (hochdichte Kulturen), Abwasserreinigung (Biogasanlagen) und auch erste Ergebnisse der Immobilisierung von thermophilen Mikroorganismen genutzt werden. Auf dieser Basis aufbauend wird erwartet, daß die vorgeschlagene Technik auf dem Gebiet der Bodenreinigung eine wichtige Ergänzung zu bestehenden Techniken (Bodenwaschung) werden könnte.