Mini-ReviewEnzymatic technologies for remediation of hydrophobic organic pollutants in soil

G. Eibes, A. Arca-Ramos, G. Feijoo, J. M. Lema and M.T. Moreira

Julia Majer

• In Europa (27 Länder) sind ca. 340.000 Bodenstellen als kontaminiert identifiziert

• 15 % davon wurden bis jetzt erst saniert

• Verschlechterung der Bodenqualität (in EU) verursacht pro Jahr Kosten von bis zu 38 Milliarden Euro

(Liedekerke et al., 2014)

Abfallbeseitigung (Städte, Industrie)

Einlagerungen (Ölspeicher, veraltete Chemikalienlager) Andere

(Landwirt-schaft)

Militär (Kriegsgebiete, militärische Lager)

Verschüttungenbeim Transport am Land (Öl)

Industrielle/ gewerbliche Aktivitäten (Kraftwerke, Bergbau)

Hauptgründe lokaler Kontaminationen (%)

Nukleare Betriebe (0.1%)

• 64 % der Bodenverschmutzung in Europa sind organische Kontaminationen

• niedrige Wasserlöslichkeit & Resistenz gegen biologische, chemische, photolytische Zersetzung

• Neben gesundheitlichen Schäden, Einfluss auf biogeochemischen Zyklus & Ökosystem

• Hauptklasse• Verwendung als

Getriebeöl (Industrie, Automobilen)

• Chlorhaltige Kohlenwasserstoffe• Verwendung zur Herstellung von

Lösungsmittel, Pestiziden, Schutzmittel & Farbstoffe

• Karzinogen

• polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe• Verbrennung fossiler Brennstoffe, Abfallentsorgung,

Verschüttungen (Petroleum oder Kohle)• Besitzen toxische, mutagene, teratogene & karzinogene

Eigenschaften

• Aromatischen Kohlenwasserstoffe• Benzol, Toluol, Ethylbenzol & Xylol• Weichmacher, Pestiziden &

Sprengstoff • Karzinogen & neurotoxisch

(Eibes et al., 2015)

• Biologische Zersetzung der Schadstoffe ist von folgenden Eigenschaften abhängig:

1.) Schadstoffe: chemische Struktur, Polarität, Hydrophobizität

2.) Umwelt: pH, Temperatur, Redoxbedingungen

3.) Boden: Aggregation, Schlickdicke, Tonbetten, Anteil gelöste org. Stoffe

→ langsamer Prozess der Regenerierung

→ Wiederherstellung und Dekontaminierung haben Priorität

Ursprüngliche Methode • Abtragung des verseuchten Boden und Deponierung, Einfüllen von sauberem Boden

→ „dick and dump“

• Entfernen der org. Kontaminationen durch Waschen, Lösungsmittel Extraktion, Oxidation oder Verbrennung (bzw. Kombinationen)

• Nachteile: technologische Komplexität, hoher Aufwand, hohe Kosten (59-109 Mio/ha), mögliche sekundäre Kontaminationen

Alternative Methoden• „Bioremediation“ mit biologischen Agentien → Einsatz von Bakterien, Pilzen und Pflanzen (Whole cell system)• Optimale Bedingungen zur Bodensanierung: Schutz vor exogenen Mikroorganismen & Flora, Sauerstoff- & Nährstoffversorgung, Resistenz gegen weitere Schadstoffe → Problematische Anwendung

→ Enzymbasierende Technologien • Anforderungen: hohe Enzymstabilität, erschwingliches Produktionssystem,

unabhängig von teuren Cofaktoren/-enzymen, hohe Substrataffinität • Vorteile: höhere Spezifizität, leichtere Handhabung & Lagerung, mobiler(<

Größe), Toleranz gegenüber unterschiedlichen Schadstoffkonzentrationen• Breiteres Spektrum an Umweltbedingungen (pH, Temperatur, Redoxpotential)

und biologisch abbaubare Proteine• Mittels rekombinanter DNA Technologien können stabilere & hoch aktive

Enzyme im großen Maßstab und zu niedrigen Kosten hergestellt werden

In situ Behandlung → „am Ort“

• Vorteile: Minimale Störung der Umwelt Keine Transport- & Ausgrabungskosten• Nachteile: langsame Enzymkinetik unkontrollierbare Parameter (pH-Wert, Temperatur) • Weitere Einflüsse: Schadstoffe (Chemie, Toxizität, Biodegradation,

Konzentration, Dispersion, Quelle, Löslichkeit, flüchtig,…) Boden (chemisch, biologisch, physikalisch)

• Anwendung bei sehr ernst zu nehmenden Kontaminationen, sofortiger Eingriff notwendig

• Ausgrabung kontaminierten Bodens → Behandlung außerhalb • Methoden: Landfarming. Kompostierung & Schlammbioreaktoren

Ex situ Behandlung → „außerhalb des Ortes“

Free enzymes

Multienzym Komplex EZT-MZC™

• US Patent von Stolzenberg und Dunner (1999) • produziert von Pseudomonas sp.• Entfernt v.a. PAHs aus dem Boden • Boden eines Gaswerks, Behandlung als Mikrokosmen (4,5 kg Erde) • Nach ca. 2 Wochen: 20% Hauptschadstoff reduziert • Nachteil: Reduktion aller einheimischen Populationen erforderlich

Thule Air Base in Grönland (Vinson and Garret 2000)• 1997: Transportunfall, 23000 Gallone des JP-8 Kraftstoffes verseuchen Boden &

Fluss• Multienzym Komplex & Bakterienkulturen (Patent: Enzyme Technologies Inc. of

Portland) • Umwandlung von Kraftstoffe in einfache Fettsäuren• Komplex beststeht aus Extrakten von TPH (Total Petroleum Hydrocarbon) -

abbauenden Bakterienkulturen (Kraftstoffverschüttungen aus Serbien) • 90 Tage Sanierung → weniger als 5% der Anfangskonzentration • Kosten large-scale: 75-80 $ pro Kubikyard

In situ

Immobilizied enzymes

In situ

2.) Arthrobacter sp. HB-5 Laccase (Ma et al. 2011)• Immobilisierung auf Natriumalginat • Breiteres pH-Spektrum → Nach 144 h 90% Atrazin (Herbizid) entfernt

1.) Mangan Peroxidase adsorbiert auf Nanoclay (= Schichtsilikate) (Acevedo et al. 2010)• Mineralien im Boden als natürliche Stützen für Enzymimmobilisierung• Erhöhte Stabilität bei hoher Temperatur bzw. pH-Wert und längerer Lagerungszeit • Keine negativen Effekte bei PAH Sanierung in wässrigen

Systemen → Nach 24 h 90% PAHs entfernt

(http://www.nanocor.com/img/montSchematic.bmp)

Slurry bioreactors

• Vermischen des kontaminierten Boden mit mikrobieller Kultur in einem Reaktor

• Vorteil: Kontrolle kritischer Parameter • Nachteil: Hohe Kosten pro Anwendung

Ex situ

1.) Rotierender Reaktor zur Behandlung von mit endokrinen Disruptoren (Umwelthormone) verseuchten Böden (Tanaka et al. 2001)• Mobiler Reaktor, ähnlich Betonmischer mit 10 rpm • Laccase aus Trametes sp.→ Nach 8 h Entfernung von ca. 90% an Octylphenol, Nonylphenol, Bisphenol A & Ethinylestradiol→ Nach 24 h Entfernung der restlichen Östrogene zu 85-99%

(Tanaka et al., 2001)

Bioreactors containing organic solvents→ Extraktion von organische Verbindungen aus dem Boden mittels Lösemittel• Stoff, der Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe lösen kann, ohne damit zu

reagieren • „Gleiches löst Gleiches“

1. Sortieren des kontaminierten Materials 2. Aufbereitung des Bodens mit Lösemittel in Extraktionskammer3. Seperator: Trennung des verschmutzen Lösemittel vom Boden 4. Nachbehandlung: Entfernung restlicher Lösungsmittel (Vakuumextraktion)5. Separat: Trennung Lösemittel von Schadstoffen

1 2 3 4

5

Ex situ

→ Kein kompletter Sanierungsprozess, kein Abbau der Schadstoffe→ Off-site Lagerung (Verbrennung, Deponierung)

• Anreicherung des kontaminierten wässrigen Extrakts

• Kombination aus Lösemittel Extraktion und enzymatischer Reaktion

• Erlaubt Wiederverwendung des Lösemittels & Erschaffen von biologisch abbaubaren Produkten

Behandlung der kontaminierten Lösemittel

Ex situ

I. Single-phase bioreactor

• Einphasiges Wasser-Lösemittel Gemische • Häufig verwendete mischbare

Lösemittel: Ethanol, Methanol, Aceton• Bsp.: Sanierung von mit Anthracen

verseuchten Wasserabfällen (Karim and Husain 2010)

• „Bitter gourd Peroxidase“ (Momordica charantia) immobilisiert auf Alginat-Beads (3 µm)

• Einphasige Lösemittelgemisch besteht aus Aceton (17,5%): Dimethylformamid (17,5%): H2O • Kontinuierlicher „Spiral bed reactor“ (20

mL/h)• Nach 5 Tagen Entfernung von 100%

Anthracen

(Karim, 2010)

II. Two-phase partitioning bioreactor

Ex situ

• 2 Phasen: 1. Organisch Phase → nicht mischbar,

Lösemittel2. wässriger Phase → enthält Enzyme

• Bsp.: Abbau von Anthracen mittels Laccase

• Silikonöl als org. Phase mit hohen Konzentrationen an extrahierten Schadstoff

• Triton X-100 als Co-Solvens (mit Konzentrationen oberhalb der kritischen Micellenbildungskonzentration)

→ überführt Anthracen in wässrige Phase • Mehrere Zyklen möglich →

Kostengünstiger • jedoch Abnahme der Enzymaktivität • Nach 24 h Entfernung von 100%

Anthracen

Eibes G, López C, Moreira MT, Feijoo G, Lema JM (2007a) Strategies for the design and operation of enzymatic reactors for the degradation of highly and poorly soluble recalcitrant compounds. Biocatal Biotransform 25(2–4):260–268

(Arca-Ramos et al. 2014)

Zusammenfassung

• Verschiedene Enzyme zeigen starke katalytische Aktivitäten bei der Sanierung von kontaminierten Böden

• Jedoch ist ihre large-scale Anwendung, v.a. aus finanziellen Gründen immer noch limitiert

• Industrielle Produktion oxidativer Enzyme ist essentiell für reale Anwendung der biologischen Sanierung von kontaminierten Böden

• Verbesserung der enzymatischen Stabilität mittels Protein Engineering sowie Optimierung von physikochemischen Eigenschaften

• Liedekerke, M. v., G. Prokop, S. Rabl-Berger, M. Kibblewhite and G. Louwagie (2014). Progress in the management of contaminated sites in Europe. JRC Reference Reports, Joint Research Centre of European Comission: 68

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Literaturquellen