DE4216357C1 - Abbau stickstoffhaltiger Stoffe mittels eines Mikroorganismus - Google Patents
Abbau stickstoffhaltiger Stoffe mittels eines MikroorganismusInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen denitrifizierenden Bakte
rienstamm, ein Verfahren zur Vermehrung des Bakterienstammes
und dessen Verwendung zum Abbau stickstoffhaltiger Stoffe.
In den sogenannten Dinitrifizierungsbecken von biologischen
Kläranlagen erfolgt unter anderem der Abbau von stickstoffhaltigem
Material mittels Mikroorganismen. Hierbei wird auf biolo
gischem Wege eine Reduktion von Nitrat und Nitrit durchgeführt.
Weiterhin ist es bekannt, den anaeroben Abbau von
Naturstoffpolymeren, insbesondere Cellulose, im Faulturm einer
Kläranlage durchzuführen.
Neuerdings besteht ein erhöhter Bedarf, Explosivstoffe, die mit
Salpetersäureestern gefertigt sind, zu entsorgen. Es hat sich
gezeigt, daß die Vernichtung dieser Materialien beispielsweise
durch Verbrennung zu Schadstoffemissionen führen kann, die die
Umwelt gegebenenfalls beeinträchtigen können.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung unter anderem die Aufgabe
zugrunde, eine besonders umweltverträgliche Entsorgung von auf
Salpetersäureestern basierenden Explosivstoffen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird ein Bakterienstamm vorgeschlagen, der mit
der Eingangsnummer DSM 7043 bei der DSM Deutsche Sammlung von
Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, hinterlegt
ist. Der erfindungsgemäße Mikroorganismus weist bei einem pH-
Wert zwischen 8 bis 11 denitrifizierendes Verhalten auf. Insbe
sondere ist der Mikroorganismus in der Lage in einem pH-Bereich
zwischen 8,5 bis 10,3 nitrat- und nitrithaltige Stoffe abzu
bauen. Um sich diese Eigenschaften des Mikroorganismus zunutze
zu machen, wird der abzubauende Stoff vorteilhaft zunächst einer
Hydrolyse unterzogen. Somit kann der Mikroorganismus das
bei der Hydrolyse anfallende Nitrat oder Nitrit abbauen und da
mit entsorgen. Hierbei kann der Mikroorganismus mindestens
einen Teil der bei der Hydrolyse entstehenden Spaltprodukte als
Kohlenstoffquelle nutzen. Gegebenenfalls muß zum vollständigen
Abbau des Stoffes eine zusätzliche Kohlenstoffquelle zugegeben
werden.
Vorteilhaft wird der neue Mikroorganismus zum Abbau von hydro
lysiertem Salpetersäureestern eingesetzt, die insbesondere aus
Explosivstoffen stammen, wodurch deren umweltverträgliche Ent
sorgung ermöglicht wird. Die Explosivstoffe können beispiels
weise aus Treibladungspulver oder Raketentreibsätzen herrühren.
Bei der Hydrolyse von Salpetersäureestern, beispielsweise
Cellulosenitrat, Glycerinnitrat, Diethylenglykoldinitrat, fällt
Nitrat und Nitrit an, das von dem Mikroorganismus bei einem pH-
Wert zwischen 8,5 bis 10,3 entsorgt werden kann. Auch hierbei
kann der Mikroorganismus mindestens einen Teil der bei der Hy
drolyse entstehenden Spaltprodukte als Kohlenstoffquelle nutzen.
Der neue Mikroorganismus kann prinzipiell anaerob aber
auch in Gegenwart von Sauerstoff denitrifizieren.
Der Bakterienstamm konnte durch Anreicherung und Isolierung aus
geeignetem natürlichen Probenmaterial gewonnen werden. Dieses
kann von verschiedenen Standorten stammen. Beispielsweise seien
alkalisches Wasser einer Salzquelle, mehrere Jahre alte Stall
dunghaufen, Denitrifizierungsbecken einer Kläranlage oder Fäkalien
von Pferden und Hühnern genannt. Besonders gute Ergebnisse
wurden mit Anreicherungs-Kulturen erzielt, die aus dem Denitri
fizierungsbecken einer Kläranlage stammten.
Der alkaliphile Bakterienstamm weist als charakteristische Ei
genschaften eine gram-negative Zellwand auf, bildet keine Sporen
und ist peritrich begeißelt. Lediglich eine entfernte Ver
wandschaft besteht zu den Gattungen Pseudomonas, Halomonas und
Deleya. Aufgrund seiner chemotaxonomischen Merkmale ist der al
kaliphile Bakterienstamm der τ-Gruppe der Proteobakterien zuzu
ordnen.
Bei der Vermehrung des Bakterienstammes wird als Anreiche
rungsmedium vorteilhaft eine Lösung eingesetzt, die außer hy
drolisierten Salpetersäureestern noch Magnesiumsulfat, Kalium
hydrogenphosphat und eine Spurenelement-Lösung enthält. Vor
teilhaft wird eine SL9-Spurenelement-Lösung eingesetzt. Das An
reicherungsmedium ist in einem pH-Bereich von 8,5 bis 10,3,
insbesondere zwischen 9 bis 10, gepuffert. Es sei angemerkt,
daß der Mikroorganismus auch auf anderen Medien, beispielsweise
einem synthetischen Medium, dem Hefeextrakt und Nutrient Broth
als Komplex-Nährstoff zugegeben wurde (K-Medium), angereichert
werden kann. Weiterhin kann ein sogenanntes H-Medium eingesetzt
werden, das Mineralsalze und etwas Hefeextrakt enthält. In allen
Fällen wird ein geeigneter Puffer, insbesondere ein hydro
gencarbonat- oder carbonathaltiger Puffer, verwendet.
Das Anreicherungsmedium weist vorteilhaft eine Temperatur zwischen
20° bis 45°C, insbesondere zwischen 30° bis 40°C, auf. Es
hat sich gezeigt, daß das beste Wachstum des Mikroorganismus
bei einem pH-Wert von 9,5 und bei einer Temperatur von 37°C bis
39°C erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Ver
wendung des erfindungsgemäßen Bakterienstammes zum Abbau stick
stoffhaltiger Stoffe. Erfindungsgemäß wird der stickstoffhaltige
Stoff zunächst einer alkalischen Hydrolyse unterzogen, wobei
das Hydrolysat auf einen pH-Wert zwischen 8,0 bis 11,0 ein
gestellt wird. Anschließend wird ein geeignetes Wachstumsmedium
zugegeben, in dem der Bakterienstamm sich vermehrt und das ins
besondere eine geeignete Kohlenstoffquelle enthält. Schließlich
erfolgt eine Animpfung und eine Inkubation mit dem Mikroorganismus. Es hat sich ge
zeigt, daß die Hydrolyse des stickstoffhaltigen Stoffes insbe
sondere den biologischen Abbau von Salpetersäureestern, die aus
Explosivstoffen stammen, ermöglicht. Die bei der Hydrolyse von
Salpetersäureestern entstehenden Nitrate oder Nitrite werden
von dem Mikroorganismus in einem pH-Bereich von 8,5 bis 10,3
abgebaut.
Vorteilhaft wird die Hydrolyse zwischen 70°C bis 100°C und über
5 bis 48 Stunden, mit einer wäßrigen oder alkoholischen Lösung
einer Lauge, beispielsweise NaOH, KOH oder NH₃ durchgeführt.
Der stickstoffhaltige Stoff kann mindestens teilweise Cellulo
senitrat aufweisen, das einen Stickstoffgehalt zwischen 10% bis
14%, insbesondere zwischen 11,8% bis 13,6%, besitzt. Somit
eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Abbau von Explo
sivstoffen, die Salpetersäureester enthalten.
Falls erforderlich wird das Hydrolysat, vorzugsweise mittels
einer anorganischen Säure, auf einen pH-Wert von 9 bis 10 ein
gestellt.
Dem Hydrolysat wird eine Lösung aus Megnesiumsulfat, Kaliumhy
drogenphosphat, Spurenelement-Lösung und einem, vorzugsweise
hydrogencarbonat- und carbonathaltigem Puffer zugesetzt.
Die Inkubation erfolgt vorteilhaft bei einer Temperatur von
30°C bis 40°C. Versuche mit hydrolysierten Salpetersäureestern
haben gezeigt, daß nach etwa 24 Stunden im Hydrolysat weder Nitrat
noch Nitrit nachweisbar sind.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einer Grobcharakterisierung
des Bakterienstammes DSM 7043 und von Versuchen zum Abbau
von Salpetersäureestern näher erläutert werden.
Bei dem Mikroorganismus, der bei der DSM Deutsche Sammlung von
Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, mit der
Eingangsnummer DSM 7043 hinterlegt wurde, handelt es sich um
einen alkaliphilen Bakterienstamm.
Das alkaliphile denitrifizierende Bakterium DSM 7043 wurde aus
natürlichem Probenmaterial durch Anreicherung und Isolierung
gewonnen. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Anreicherungs-
Kulturen erzielt, die aus dem Denitrifizierungsbecken einer
Kläranlage stammten. Anschließend wurde der Mikroorganismus aerob
auf einem geeigneten Anreicherungsmedium isoliert. Ein si
gnifikantes Wachstum des Mikroorganismus wurde in verschiedenen
Anreicherungsmedien beobachtet. Besonders gute Ergebnisse wurden
mit einem M-Medium folgender Zusammensetzung erreicht:
MgSO₄ · 7 H₂O | |
0,75 g (1 mM) | |
KH₂PO₄ | 0,68 g (5 mM) |
Spurenelementlösung (SL9) | 1,0 ml |
NaHCo₃-Na₂Co₃-Puffer, pH 10 | (100 mM) |
ad 1000 ml Hydrolysat oder Aqua dest. |
Das Anreicherungsmedium kann auch Hefeextrakt oder Nutrient
Broth als Komplex-Nährstoff enthalten. Als Kohlenstoffquelle
kann Glucose, Gluconat, Acetat, Citrat und Succinat Verwendung
finden. Nitrat und Nitrit dienen als Stickstoffquellen und
Elektronenakzeptoren im anaeroben Milieu.
Versuche zum pH- und Temperatur-Optimum des Wachstums unter de
nitrifizierenden Bedingungen ergaben, daß der Mikroorganismus
in einem pH-Bereich von 8,5 bis 10,3 und einem Temperatur-Be
reich von 20° bis 45°C wachsen kann. Hierbei lag das pH-Optimum
zwischen pH 9,0 und 10,0, während sich das beste Wachstum bei
einem pH-Wert von 9,5 und bei Temperaturen von 37°C bis 39°C
zeigten.
Bei dem isolierten Mikroorganismus handelt es sich um ein alka
liphiles, Gram-negatives und nicht Sporen-bildendes Bakterium.
Das Bakterium gehört zur τ-Gruppe der Proteobakterien. Eine
entfernte Verwandtschaft besteht zu den Gattungen Pseudomonas,
Halomonas und Deleya. Weitere Eigenschaften des alkaliphilen
Bakterienstammes gehen aus der nachfolgenden Tabelle 1 hervor.
Der vorstehend beschriebene Mikroorganismus eignet sich insbe
sondere zum Abbau von Salpetersäureestern, die in Explosivstoffen
vorhanden sind. Beispielsweise kann Cellulosenitrat, Glyce
rinnitrat, Diethylenglykoldinitrat abgebaut werden. Somit können
mit dem Mikroorganismus derartige Stoffe auf einfache und
umweltverträgliche Art entsorgt werden.
Vor der eigentlichen biologischen Zersetzung der Salpetersäure
ester durch den Mikroorganismus werden die Explosivstoffe
zunächst einer alkalischen Hydrolyse unterzogen. Nach Abschluß
der Hydrolyse wird ein pH-Wert von 9 bis 10 direkt oder nach
Säurezugabe erreicht. In einem zweiten Schritt wird aus
dem Hydrolysat ein Wachstumsmedium hergestellt, was durch
Zugabe einer geeigneten Kohlenstoffquelle, Magnesiumsulfat, Ka
liumhydrogenphosphat, einem hydrogencarbonat- und car
bonathaltigen Puffer sowie einer Spurenelement-Lösung erreicht
wird. Anschließend erfolgt das Animpfen mit einer Kultur vom
Stamm DSM 7043. Bei der hierauf einsetzenden Denitrifikation
wird das Cellulosenitrat zersetzt.
Nachfolgend werden Versuche beschrieben, die im Labormaßstab
durchgeführt wurden.
In zwei parallelen 100-ml-Ansätzen wurde je ein 1 g/l 11,3%iges
und 12,5%iges Cellulosenitrat in 1%iger NaOH für ca. 5
Stunden bei 75°C hydrolysiert. Nach der Hydrolyse betrug der
pH-Wert 13,5 bis 13,6.
Mit dem klaren, braungefärbten Hydrolysaten wurden Nitrat- und
Nitritbestimmungen durchgeführt, um zu prüfen, welcher Anteil
des gebundenen Nitrats in Form von Nitrat und Nitrit frei wird.
Wie die in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführten Ergebnisse
zeigen, konnten in allen vier Ansätzen etwa 90% des Stickstoffs
in Form dieser beiden Substanzen nachgewiesen werden.
Anschließend wurden die Hydrolysate mit konzentrierter Schwe
felsäure auf einen pH-Wert von 10 eingestellt. Danach wurden 5 ml
eines 20fach konzentrierten Carbonats-Puffers (pH 10) um 5 ml
einer 20fach konzentrierten Nährlösung zugegeben. Nachfol
gend erfolgte die Animpfung mit dem isolierten Mikroorganismus.
Die Inkubation fand bei einer Temperatur von 37°C statt.
Die vorstehenden Versuche führten zu dem Ergebnis, daß bereits
nach 24 Stunden weder Nitrat noch Nitrit im Hydrolysat nach
weisbar war. Das hochbrisante Cellulosenitrat konnte auf biolo
gischem Wege zu unproblematischen Substanzen umgewandelt werden.
Die verbleibenden Spaltprodukte dürften unproblematisch
sein.
Der zum Einsatz kommende Mikroorganismus nutzt mindestens einen
Teil der Spaltprodukte als Kohlenstoffquelle. Um das Hydrolysat
vollständig von Nitrat und Nitrit zu befreien, muß gegebenen
falls eine zusätzliche Kohlenstoffquelle zugegeben werden.
Claims (11)
1. Bakterienstamm DSM 7043.
2. Verfahren zur Vermehrung des Bakterienstammes nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bakterienstamm in einem Anreicherungsmedium vermehrt
wird, das neben hydrolisierten Salpetersäureestern Magnesium
sulfat, Kaliumhydrogenphosphat und Spurenelement-Lösung auf
weist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vermehrung in dem Anreicherungsmedium, das auf einen
pH-Bereich von 8,5 bis 10,3, insbesondere zwischen 9 bis 10,
gepuffert ist, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vermehrung in dem Anreicherungsmedium, das mit einem
hydrogencarbonat- oder carbonathaltigen Puffer gepuffert ist,
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Anspürche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vermehrung in dem Anreicherungsmedium, das eine Tempe
ratur zwischen 20°C bis 45°C, insbesondere zwischen 30°C bis
40°C, aufweist, durchgeführt wird.
6. Verwendung des Bakterienstammes nach Anspruch 1 zum Abbau
stickstoffhaltiger Stoffe,
wobei der stickstoffhaltige Stoff einer alkalischen Hydrolyse unterzogen wird,
das Hydrolysat auf einen pH-Wert zwischen 8,0 bis 11 einge stellt wird,
ein geeignetes Wachstumsmedium zugegeben wird und
eine Animpfung und eine Inkubation mit dem Mikroorganismus er folgt.
wobei der stickstoffhaltige Stoff einer alkalischen Hydrolyse unterzogen wird,
das Hydrolysat auf einen pH-Wert zwischen 8,0 bis 11 einge stellt wird,
ein geeignetes Wachstumsmedium zugegeben wird und
eine Animpfung und eine Inkubation mit dem Mikroorganismus er folgt.
7. Verwendung nach Anspruch 6,
wobei die Hydrolyse bei 70°C bis 100°C und über 5 bis 48 Stunden,
mit einer wäßrigen oder alkoholischen Lösung einer Lauge
durchgeführt wird.
8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7,
wobei ein stickstoffhaltiger Stoff, der mindestens teilweise
Cellulosenitrat aufweist, das einen Stickstoffgehalt zwischen
10% bis 14%, insbesondere zwischen 11,8% bis 13,6%, besitzt,
abgebaut wird.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei das Hydrolysat mittels einer anorganischen Säure auf
einen pH-Wert von 9 bis 10 eingestellt wird.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
wobei eine Inkubation bei einer Temperatur von 30°C bis 40°C
erfolgt.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
wobei ein stickstoffhaltiger Stoff, der aus hydrolysierten Sal
petersäureestern besteht, die in Explosivstoffen enthalten
sind, abgebaut wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4216357A DE4216357C1 (de) | 1992-05-18 | 1992-05-18 | Abbau stickstoffhaltiger Stoffe mittels eines Mikroorganismus |
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- 1992-05-18 DE DE4216357A patent/DE4216357C1/de not_active Expired - Fee Related
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