Immobilisierte Ökosysteme bestehen aus Trägermaterial mit aufgewachsenen Mikroorgansimen und coimmobilisierten Enzymen. Doch wie kommt das biologische Material auf den Träger? Mit dem Laborfermenter LAMBDA MINIFOR 7L erzielen die Forscher einen kontrollierten, dichten Bewuchs des porösen Polyurethanschwamms für den Abbau von Schadstoffen in Industrieabwässern.
LAMBDA MINIFOR 7L Laborfermenter zur kontrollierten Bildung des mikrobiellen Ökosystems auf porösen Trägern
Muhammad Zubair Ahmad und sein Forschungsteam entwickelten zur industriellen Abwasserreinigung ein effizientes mikrobielles Ökosystem auf porösen Trägern. Hierzu liessen die Forscher funktionalen Polyurethanschwamm (FPUS) als festes Trägermaterial im LAMBDA MINIFOR 7L Laborfermenter kontrolliert mit einzigartigen Organsimen bewachsen:
Abb 1: LAMBDA MINIFOR 7L Laborfermenter und die effiziente Herstellung eines mikrobiellen Ökosystems auf Polyurethan als poröses Trägermaterial zur Studie im Bereich der industriellen Abwasserbehandlung und Biokatalyse. (Bildnachweise und Quellen: Laborfermenter www.lambda-instruments.com/de/ ; Bilder (a) - (d) doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131514)
Von Koksabwässern und giftigen stickstoffhaltigen Verbindungen in Industrieabwässern
Die Nachfrage der Industrie nach Kohle hat zu einem erheblichen Anstieg der Menge an Koksabwässern geführt, die hochgiftige, krebserregende, erbgutverändernde und problematische Schadstoffe enthalten. Die wirksame Entfernung dieser organischen Schadstoffe aus komplexen Industrieabwässern blieb dabei ein grosses Anliegen, denn die bisher eingesetzten biologischen Behandlungen hatten die Schadstoffe nur teilweise abgebaut, was zur Entstehung giftiger stickstoffhaltiger Verbindungen wie Nitrat (NO3) und Nitrit führte.
Das Forschungszentrum für Wasserwissenschaften und Umwelttechnik der Universität Shenzhen in Zusammenarbeit mit dem Staatlichen Labor für Hydrowissenschaften und Ingenieurwesen an der Tsinghua-Universität nahmen sich der Bewältigung dieser Herausforderung an:
Eine einzigartige Gruppe von immobilisierten Organismen und Enzymen (FPUS@RODMs@In-PAOREs) zum gemeinsamen Abbau von Schadstoffen im industriellen Abwasser
Das auf Polyurethanschwamm (FPUS) immobilisierte Ökosystem umfasst eine einzigartige Gruppe von Organismen (RODMs) und Enzymen (PAOREs) zum gemeinsamen Abbau von Schadstoffen im industriellen Abwasser:
FPUS: Das Trägermaterial zur Fixierung von Mikroorganismen und Enzymen
Als festes Trägermaterial zur Fixierung der Mikroorganismen und Enzymen (biologisches Material) diente funktioneller Polyurethanschwamm (FPUS). Der poröse Träger stellte eine vergrösserte Oberfläche für die Bindung von biologischem Material zur Verfügung.
RODMs: Die einzigartige Gruppe von Organismen mit besonderen Stoffwechselfähigkeiten
Die Forscher hatten an gefährdeten Standorten Organismen mit besonderen Stoffwechselfähigkeiten entdeckt und so zusammengefügt, dass die Mikroben eine einzigartige Gruppe (RODMs) zum effektiven Abbau der hochkonzentrierten Aromaten im industriellen Abwasser bildeten.
In-PAOREs: Enzyme zur Katalyse des Abbaus organischer Verbindungen
Um die Leistung der RODMs auf den Bio-Carriern aufrechtzuerhalten und zu verbessern, setzte die Forschungsgruppe eine strategische Coimmobilisierung mit Oxidations- und Reduktionsenzymen (In-PAOREs) ein.
Wie haben die Forscher das biologische Material auf den Träger immobilisiert?
Während die Enzyme direkt in die funktionellen Polyurethanschwamm-Träger eingefügt wurden, bedurfte es für die Mikroben die Adsorption und das Aufwachsen auf die Träger:
Adhäsion und Bewuchs der Träger mit Mikroben im Laborfermenter
Für die Adhäsion auf der festen Unterlage und den kontrollierten dichten Bewuchs der Träger (FPUS) mit RODMs als mikrobielles Ökosystems nutzten die Forscher die Vorteile des LAMBDA MINIFOR 7L Laborfermenters zusammen mit Messsonden und Datenaufzeichnung.
Abb. 2: Der Laborfermenter LAMBDA MINIFOR 7L (Das Bild zeigt zudem (rechts) den PC mit vorkonfigurierter Automationssoftware SIAM zur Fernsteuerung, Datenerfassung und online Überwachung, sowie (links) drei Massendurchflussgeräte für Einzelgase.)
Befüllung des Fermentergefässes mit Trägermaterial und Nährmedium
Die Techniker befüllten das 7L Fermentergefäss zur Hälfte mit Trägermaterial, das aus einzelnen porösen Trägern aus funktionellem Polyurethanschwamm bestand, und fügten anschliessend das Nährmedium mit einer hydraulischen Verweilzeit von 12 h dem Laborfermenter hinzu.
Inokulation und kontrolliertes Wachstum des mikrobiellen Ökosystems
Es wurden 100 ml Vorkultur (Schlamm mit Mikroben) angeimpft und gemischt.
Für das optimale Wachstum der RODMs regelten die Biotechnologen die kontinuierliche Belüftung bzw. den gelösten Sauerstoff (pO2) und stellten die Sauerstoffaufnahmerate (OUR) fest.
Versuchsdauer
Das überwachte Experiment dauerte 50 Tage, bei dem die Forscher die Bedingungen und Parameterwerte elektr. aufzeichneten, um Hinweise auf eine erfolgreiche Entwicklung des mikrobiellen Ökosystem zu beschreiben.
Publizierte Ergebnisse der Forschungsarbeit über das immobilisierte mikrobielle Ökosystem
Zu welchen Ergebnissen kamen die Forscher der Universität Shenzhen und Tsinghua-Universität in ihrer Publikation doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131514 ?
Das entwickelte immobilisierte biokatalytische/mikrobielle System (Polyurethanmatrix + RODMs + Enzyme) zeigte eine verbesserte Entfernungsrate von 4 kg/m³/Tag der schwer abbaubaren organischen Verbindungen. Die Verbesserung wurde auf die enzymatische Katalyse von schwer abbaubaren organischen Verbindungen (in einer Konzentration von 2000 mg/L) bei gleichzeitiger Reduzierung des CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) auf 1200 mg/L zurückgeführt.
Allgemein gilt, dass die Immobilisierung der Mikroben ihren physiologischen Zustand und ihre Abbaufähigkeit organischer Schadstoffe beeinflusst. Diesbezüglich lieferte die Publikation zum physiologischen Zustand des immobilisierten biokatalytischen/mikrobiellen Ökosystems beeindruckende FE-REM Aufnahmen:
Abb. 3: Die Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM) zeigt die Charakterisierung von Mikroben, die Biofilmmatrix, die Enzymimmobilisierung und das gleichmässige Wachstum auf dem Bioträger. (Bildnachweis und Quelle: Ahmad, M., Yousaf, M., Han, J.-C., Huang, Y., Zhou, Y. & Tang, Z. (2023). Development of Biocatalytic Microbial Ecosystem (FPUS@RODMs@In-PAOREs) for Rapid and Sustainable Degradation of Various Refractory Organics. Journal of Hazardous Materials, 2023, 131514, ISSN 0304-3894, doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131514)
a) Bildung eines kompakten und porösen mikrobiellen Ökosystems auf dem Polyurethan-Trägermaterial (FPUS) und in den Trägerporen (dieser Standort fördert die Bildung von Netzwerken entlang der Wände des Carriers).
b) Visuelle Darstellung der Biofilmmatrix, bestehend aus einer Vielzahl von Enzymen und mikrobiellen Gruppen, die durch Komponenten extrazellulärer Polymerer Substanzen (EPS) miteinander vernetzt sind.
c) Mikrobielle Cluster innerhalb der komplexen Biofilm-Matrix.
d) Darstellung einer Bakterienzelle (ca. 2 μm lang).
e) Enzymaggregation auf den porösen Oberflächen des Trägers.
f) Funktionelle Enzyme bilden kleine 3D-Aggregate.
g) Aggregation von Enzymen an den Wänden des Bio-Carriers.
h) Enzyme nehmen unterschiedliche Strukturen an, um bioaktive Prozesse innerhalb eines gemeinsamen Raums effizient auszuführen.
Mit den coimmobilisierten Oxidations- und Reduktionsenzyme (In-PAOREs) nebst den spezifischen Mikroorgansimen im immobilisierten mikrobiellen Ökosystem erreichten die Forscher eine effiziente enzymatische Katalyse hartnäckiger organischer Stoffe und einen wirksameren Abbau organischer Verbindungen.
Weitere Informationen zur Immobilisierung von Mikroorganismen und idealen Laborfermentern
Weitere Informationen zur Synthese einzelner poröser Träger aus Polyurethan und die Studie zur Entwicklung des immobilisierten biokatalytischen/mikrobiellen Ökosystems «FPUS@RODMs@In-PAOREs» für den Abbau von organischen Schadstoffen in industriellen Abwässern finden Sie auf:
Spezifikationen für die Laborfermenter mit idealer Mischung und Belüftung sowie Massflow-Module für Gasmessungen und -gemische: