Extraktion von APG aus Bioreaktorproben

Im Teilprojekt E3b wurde der Abbau von Restkonzentraten nichtionischer Tenside in Bioreaktoren untersucht, da es nicht in jedem Fall möglich sein wird, die Spülwässer bzw. die daraus gewonnenen Tensidkonzentrate einer Wiederverwendung zuzuführen. Es schien wirtschaftlich nicht vertretbar, diese Konzentrate nach einer Rückverdünnung in die kommunalen oder gewerblichen Kläranlagen zu leiten. Deshalb waren Abbaustudien für konzentrierte APG-Lösungen geplant. Zwar gelten APG als besonders leicht biologisch abbaubar, nur wenig ist aber über das Verhalten von Konzentraten bekannt war.

In Vorbereitung dieser Studien sollte eine entsprechende Analytik etabliert werden.

Grundlagen und Instrumentarien für die ökologische Bewertung von Tensiden wurden von Schöberl [1997] beschrieben. DOC-Konzentrationen (gelöster organischer Kohlenstoff) von ca. 65-130 mg/l wurden als Betriebsbedingung für synthetisches Abwasser genannt. Dies entspricht einer Konzentration von etwa 100-200 mg/l APG. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß APG sehr schnell abgebaut werden, mußten analytische Methoden entwickelt werden, die eine Bestimmung der Tenside im Bereich von 1 mg/l erlauben. Zusätzliche Probleme wurden durch die begleitende Biomasse erwartet. Eine Abtrennung der bakteriellen Biomasse war dringend geboten; einerseits müssen die empfindlichen chromatographischen Geräte geschützt werden, andererseits stört die Matrix die qualitative und quantitative Bestimmung der Tenside.

Die direkte Anreicherung von APG aus dotierten Bioreaktorproben ohne Abtrennung der Biomasse ergab zumeist unbefriedigende WF. Bereits 5 ml Probe führten zum Verschluß der PTFE-Fritten. Eine Auswertung war nur für Proben möglich, die mit mehr als 1 g/l dotiert waren, da bei diesen Proben weniger als 1 ml extrahiert werden mußte. Die WF dieser Proben lagen im Mittel bei 85 % (n=3). Proben mit geringeren Konzentrationen ergaben dagegen mittlere WF unterhalb von 50 %, insbesondere längerkettige APG zeigten unbefriedigende WF.

Bei einem geforderten Konzentrationsbereich von ~ 1 mg/l mußte die Biomasse also vor der SPE abgetrennt werden, um größere Probevolumina aufarbeiten zu können.

Bioreaktorproben wurden mit Plantacare 818 UP im Bereich von 10-2000 mg/l dotiert. In parallelen Ansätzen wurde die Biomasse vor der nachfolgenden Festphasenextraktion durch Zentrifugation (5 min, 2000 min^-1) bzw. durch Membranfiltration (0,2 µm) abgetrennt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Bestimmung der WF mittels GC-FID erbrachte nahezu identische Resultate wie jene Untersuchungen, bei denen die Biomasse vor der SPE nicht abgetrennt wurde. Oberhalb von 500 mg/l war die mittlere WF sehr gut, unterhalb von 200 mg/l nahm die WF sehr stark ab.

Obwohl der Vergleich von Zentrifugation und Membranfiltration keinen signifikanten Unterschied in den WF der APG ergab, wurde in den weiteren Versuchen die Zentrifugation zur Abtrennung der Biomasse eingesetzt, da ein Verstopfen der Membranfilter bei Aufarbeitung großer Probevolumina je nach Zelldichte der Bakterienkultur nicht ausgeschlossen werden konnte.

Als Ursache der geringen WF kamen ein schneller biologischer Abbau z.B. durch extrazelluläre Enzyme oder die Adsorption der Tenside an der Oberfläche der Biomasse in Betracht. Um einen eventuellen biologischen Abbau durch extrazelluläre Enzyme zeitlich verfolgen zu können, wurde der Überstand frischer Bioreaktorproben mit Plantacare 818 UP in drei Konzentration (10, 50 und 500 mg/l) dotiert. Die Biomasse wurde vor der Tensidzugabe durch Zentrifugation abgetrennt. In Abständen von 10 min wurden die Proben mit konzentrierter HCl versetzt und nach Kap. 4.6.2 aufgearbeitet. Im Ergebnis konnte keine zeitabhängige Abnahme der WF registriert werden, die mittleren WF lagen bei einer Standardabweichung von maximal 8 % über den betrachteten Zeitraum von 60 min bei ca.

85 %. Ein schneller Abbau durch extrazelluläre Enzyme konnte ausgeschlossen werden.

Als weiterer Weg des biologischen Abbaus war die Aufnahme der APG in die Bakterienzellen und die dortige Verstoffwechselung zu diskutieren. Die Biomasse wurde zur Untersuchung dieser Fragestellung durch Zusatz von Methanol (50 Vol. %) und in einem parallelen Versuch mit 0,1%iger NaN3-Lösung abgetötet. Vor der Zugabe von Plantacare 818 UP wurde der Alkohol destillativ entfernt und die Probe mit Leitungswasser aufgefüllt, um vergleichbare Bedingungen zu schaffen. Die Bestimmung der WF lieferte schon bekannte Ergebnisse. Höher konzentrierte Proben erbrachten gute WF, während in Proben, die mit weniger als 200 mg/l dotiert waren, z.T. nur 20 % der längerkettigen APG detektierbar waren.

Somit war klar, daß der biologische Abbau als alleinige Erklärung für die geringen WF nicht hinreichend war. In weiteren Ansätzen wurde der Einfluß der Adsorption der APG an der Zelloberfläche untersucht. Verschiedene organische Lösungsmittel wurden auf ihre Eignung getestet, APG von der Zelloberfläche zu desorbieren (Abbildung 5-3). Die Biomasse wurde mit 0,1%iger NaN3-Lösung abgetötet. Nach der Zugabe von Plantacare 818 UP

abdekantiert. Die verbleibende Biomasse wurde anschließend mit verschiedenen Lösungsmitteln und Lösungsmittelgemischen extrahiert. Danach wurde erneut zentrifugiert.

Die Überstände wurden nach dem Trocknen vereinigt. Die WF wurde als Summe beider Extraktionen mittels GC-FID bestimmt (vgl. Kap. 4.6.2).

Die Extraktion der toten Biomasse mit organischen Lösungsmitteln führte nicht zu einer signifikanten Erhöhung der WF. Mit Zunahme der Alkylkettenlänge verringert sich die WF bis unter 50 % (C12).

25 % 50 % 75 % 100 %

C8 C10 C12

WF

Ethylacetat Chloroform/

Methanol (15+1, v/v)

Methanol Methanol/

Wasser (8+2, v/v) Extraktionsmittel

Abbildung 5-3: Desorption von APG von der Oberfläche toter Biomasse mit verschiedenen Lösungsmitteln

Abschließend muß festgestellt werden, daß der biologische Abbau von APG in Bioreaktoren nur unvollständig charakterisiert werden konnte. Die deutliche Verringerung der WF längerkettiger APG-Komponenten bei der Analyse von Bioreaktorproben könnte auf ihre irreversible Adsorption an die Oberfläche der Bakterien zurückgeführt werden. Die Abnahme des APG-Gehaltes in Gegenwart von tensidabbauenden Bakterienkulturen muß als Summe von biologischem Abbau und Adsorption betrachtet werden!

Ergebnisse und Diskussion

5.4 Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC)

Die HPTLC bietet dem analytischen Chemiker die Möglichkeit, Proben schnell, unkompliziert und zuverlässig auf ihre qualitative Zusammensetzung zu untersuchen.