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aus chemischen Reinigungen und Entfettungsanlagen,
Ethylen, das reifende Früchte in Lagerhäusern in großem
Umfang abgeben, ebenso wie geruchsintensive Fettsäuregemische, die aus Massentierhaltungen freigesetzt
werden. Zur Reinigung hat man zunächst Aktivkohle oder
Bodensäulen benutzt, die die flüchtigen organischen Verbindungen adsorbieren sollten. Später stellte sich heraus,
dass sich auf diesen Trägern Biofilme von Bakterien ansiedeln, die diese Verbindungen abbauen. Heute benutzt
man durchströmte Betten mit synthetischen Trägermaterialien, Holz- oder Rindenschnitzeln, Torf oder Boden,
durch die die belastete Luft nach vorheriger Befeuchtung
geleitet wird. Der heranwachsende Biofilm wird durch
höhere Organismen abgeweidet, wodurch sich ein Reinigen und Regenerieren der Bettsysteme weitgehend erübrigt.
20.15.5 Bodensanierung
Infolge von Sorglosigkeit, Unachtsamkeit und Unfällen
kommt es immer wieder zu massiven Einträgen von
Fremdstoffen in den Boden, die eine Belastung für die
weitere Nutzung bzw. eine Gefährdung für das Grundwasser darstellen. Alte Industriestandorte, unzureichend
kontrollierte Müllkippen, Tankstellen, leckgeschlagene
oder durchgerostete Öltanks sind die häufigsten Ursachen für massive Bodenverunreinigungen, die häufig erst
erkannt werden, wenn bereits Folgeschäden wie eine
Grundwasserverschmutzung eingetreten sind. Mehr als
50 % der aktuellen Bodenverschmutzungen in Deutschland sind durch Mineralöl und seine Derivate verursacht.
Verunreinigungen beginnen typischerweise auf oder
im Oberboden und sickern durch den ungesättigten Boden, bis sie die Grundwasserschicht erreichen. Abhängig
von der Dichte der verunreinigenden Komponenten
schwimmen diese entweder auf dem Grundwasser auf,
lösen sich zu einem gewissen Anteil (vor allem niedermolekulare und aromatische Bestandteile, z. B. Benzol,
Toluol, Xylol, Ethylbenzol), oder sinken, wie z. B. schwere
Ölanteile, auf den Grund der wasserführenden Schicht.
Für die Dekontamination eines solchen Standorts gibt
es verschiedene Möglichkeiten. Man kann den Boden
weitgehend ungestört belassen und den Abbau der Kontaminanten der bodenständigen Mikrobiota überlassen
(Natural Attenuation). Dies ist das kostengünstigste aber
auch langwierigste Verfahren. Alternativ kann man den
natürlichen Abbau vor Ort beschleunigen, indem man
den natürlichen Abbauprozess durch Abpumpen und Rezirkulieren des Grundwassers nach entsprechender Zwischenbehandlung intensiviert und zugleich die Ausbreitung der Schadstofffahne eingrenzt (▶ Abb. 20.29). Eine
weitere Möglichkeit ist, den kontaminierten Boden abzutragen, mit geeigneten Nährsalzen zu beaufschlagen und
Mieten anzulegen, in denen durch Bewässerung und regelmäßige Durchmischung die mikrobielle Schadstoffoxidation gefördert wird. Als Alternativen zur vollständigen
Beseitigung des jeweiligen Fremdstoffs kommt prinzipiell
auch eine Inertisierung vor Ort infrage. Das als Sprengstoff bekannte Trinitrotoluol (TNT) wird im ungesättigten
Boden nur langsam abgebaut. Unvollständige Reduktionen der Nitrogruppen leiten eine Polymerisation des TNT
und seine Verknüpfung mit der organischen Bodenmatrix
(Huminstoffe) ein, die zu einem stabilen, inerten und ungiftigen Folgeprodukt führt.
20.16 Metalllaugung und
Renaturierung im Tagebau
Die mikrobielle Oxidation und saure Extraktion von Eisensulfiden einschließlich des Pyrits wurde bereits in
Kapitel 18 besprochen (Plus 18.16) (S. 628). In ähnlicher
Weise können schwefeloxidierende Bakterien vom Typ
Thiobacillus ferrooxidans auch Kupfersulfide oxidieren.
Die Reaktionen laufen wie folgt ab:
2 Cu2S + 0,5 O2 + 2 H+ → 2 CuS + 2 Cu2 + + H2O
2 CuS + 4 O2 → 2 Cu2 + + 2 SO42–
Fe0 + Cu2 + → Cu0 + Fe2 +
Der erste Schritt, die Oxidation von Cu+ zu Cu2 + , wird
ausschließlich mikrobiell katalysiert. Der zweite Schritt,
die Oxidation von Sulfid zu Sulfat, wird teils mikrobiell
und teils chemisch ermöglicht. Aus der sauren Lösung
wird im dritten Schritt Cu2 + mithilfe von Eisenschrott als
Rieselturm
Rezirkulation
vorbeugende
Infiltration
Grundwasserspiegel
während
Öl
Pumpe
Untergrund
710
vor
der
Behandlung
Abb. 20.29 Behandlung von ölverunreinigtem Boden durch Umpumpen von
Grundwasser und bakterielle Reinigung
des Wassers. Die vorbeugende Infiltration
von frischem, nichtkontaminierten Wasser
schützt den nichtkontaminierten Boden auf
der linken Seite. Im Rieselturm findet die
mikrobielle Oxidation der Fremdstoffe statt.
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Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie
20.17 Energieversorgung
Plus 20.12
Grenzen der Wasserstoffgewinnung durch Mikroorganismen
Eine Vergärung von Biomasse mit Glucose als repräsentativem Ausgangssubstrat zu H2 und CO2 entsprechend der
Gleichung
C6H12O6 + 6 H2O → 12 H2 + 6 CO2
liefert unter Standardbedingungen –26 kJ pro mol Glucose. Es gibt keinen Organismus, der mit diesem geringen
Energiebetrag die Umsetzung von 12 Elektronenpaaren zu
12 Wasserstoffmolekülen leisten kann und dabei noch
wächst. Stattdessen beobachtet man im günstigsten Fall
eine Vergärung der Glucose entsprechend der Gleichung
C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2.
Diese Reaktion liefert pro mol Glucose ΔG0’ = –216 kJ,
und auch diese Bilanz wird nur erreicht, wenn der Wasserstoffpartialdruck (S. 458) z. B. durch methanogene Partnerorganismen niedrig gehalten wird. Dennoch verbleiben bei
dieser Vergärung zwei Drittel der Elektronen aus der Glucose im Acetat, aus dem sie durch Gärung nicht freigesetzt
20.17 Energieversorgung
Steigende Ölpreise beleben immer wieder neu die Diskussion, in welchem Umfang Mikroorganismen zur Deckung unseres Energiebedarfs beitragen können. Die Gewinnung von Methan in Form von Biogas bei der anaeroben Behandlung von Abwässern und Abfällen wurde bereits erwähnt (S. 705). Der Vorteil der Methanbildung
(S. 456) besteht darin, dass der größte Teil der Energie
eines organischen Substrats, sofern es anaerob abbaubar
ist, für eine spätere energetische Nutzung im Methan gebunden ist. Außerdem ist es als Gas leicht abzufangen.
Dieser Aspekt limitiert für die Energiewirtschaft vor allem die technische Nutzung von gelösten Gärprodukten
wie Ethanol. Durch Vergärung mit Hefen oder mit dem
Bakterium Zymomonas mobilis wird im günstigsten Fall
ein Alkoholgehalt von ca. 10 % (v/v) erreicht. Für die Destillation auf einen Alkoholgehalt von mehr als 90 % sind
Energiemengen erforderlich, die nahezu in der gleichen
Größenordnung liegen wie der Energiegehalt des gewonnenen Alkohols. Überdies können nur bestimmte Anteile
der Biomasse, vor allem Zucker, Stärke und andere Polysaccharide (nach enzymatischer Vorbehandlung) zu Ethanol (S. 421) vergoren werden. Zwar ist die Ethanolausbeute aus spezifisch hierfür gezüchteten, zuckerreichen Erntepflanzen wie Zuckerrohr und Zuckerrüben günstiger,
doch muss man für eine bilanzierende Bewertung dann
auch den Energieaufwand für die landwirtschaftliche
Produktion dieser Ausgangsmaterialien, sowie die strukturellen Aspekte einer auf Alkoholproduktion ausgelegten Landwirtschaft berücksichtigen.
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metallisches Kupfer ausgefällt. Auf diese Weise kann
wertarmer Eisenschrott für die Gewinnung von hochwertigem Kupfer genutzt werden.
Da Eisensulfide, vor allem Pyrit, häufig auch in den
Deckschichten oberhalb von Kohle- und Braunkohlelagerstätten zu finden sind, werden sie mit dem Abraum umgeschichtet und damit dem Sauerstoff und der mikrobiellen Oxidation ausgesetzt. Die Folge sind gewaltige Einträge an schwefelsauren Oberflächen- und Grundwässern,
z. B. im Bereich des Braunkohletagebaus in Mitteldeutschland. Nach Flutung der ehemaligen Tagebaulöcher sind
die neu entstandenen Seen mit pH-Werten von 2–3 häufig stark sauer. Langfristiges Ziel der Renaturierung dieser
Standorte ist die Ausfällung der Eisen- und Schwefelsäurefrachten dieser Wässer als Eisensulfide. Dazu sind große Mengen organischer Elektronendonatoren und anoxische Verhältnisse in den tiefen Wasserschichten erforderlich. Da sich die Primärproduktion im sauren Wasser nur
sehr zögernd entwickelt, werden diese Renaturierungsmaßnahmen viele Jahrzehnte in Anspruch nehmen. In
Modellexperimenten konnte man zeigen, dass die Neutralisierung eines solchen Gewässers durch Eintrag von
externer organischer Substanz (z. B. Stroh) wesentlich beschleunigt wird.
Auch aus Abwässern der Galvanisierungsindustrie können Schwermetalle durch Ausfällen mit mikrobiell produziertem Schwefelwasserstoff als Metallsulfide rückgewonnen werden.
●V
werden können. Erneut zeigt sich hier die Überlegenheit
der Methanbildung, die die im Acetat festgelegten Elektronen quantitativ in Methan überführt. Eine fermentative
Wasserstoffproduktion aus Biomasse wird also nur ein Drittel der rechnerisch verfügbaren Elektronen nutzen können.
Die reale Ausbeute ist sogar deutlich schlechter.
Als Alternative bietet sich eine Wasserstoffbildung durch
phototrophe Bakterien, entweder durch Cyanobakterien
oder durch anoxygene phototrophe Bakterien, an. Hierbei
dient entweder die Nitrogenase oder die mit diesem Stoffwechsel assoziierten membranständigen Hydrogenasen als
wasserstofffreisetzendes Enzymsystem. Trotz aufwendiger
Forschung ist es jedoch bisher nicht gelungen, solche Mengen Wasserstoff auf diese Weise zu produzieren, die ein
solches Verfahren wirtschaftlich auch nur annähernd diskutabel machen. Zukunftspläne zielen auf eine Kopplung
des Photosystems mit membranständigen Hydrogenasen
in zellfreien Reaktionssystemen ab, doch sind solche Systeme empfindlich und daher kurzlebig und eine Nutzung in
großem Maßstab (unter strikt sterilen Bedingungen!) wohl
unrealistisch.
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