DE4216357C1

DE4216357C1 - Abbau stickstoffhaltiger Stoffe mittels eines Mikroorganismus

Info

Publication number: DE4216357C1
Application number: DE4216357A
Authority: DE
Inventors: Frank Berendes; Jochen Dipl Biol Michels; Gerhard Prof Dr Gottschalk
Original assignee: WNC Nitrochemie GmbH; Nitrochemie Aschau GmbH
Current assignee: Nitrochemie Aschau GmbH
Priority date: 1992-05-18
Filing date: 1992-05-18
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2012-05-19

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.

Tabelle 1

Eigenschaften des Bakterienstammes DSM 7043

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.

Tabelle 2

Nitrat- und Nitritgehalt alkalischer Hydrolysate von Cellulose nitraten

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

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.

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.