Mikrobielle Wechselwirkungen mit anorganischen und organischen Schadstoffen

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Mikrobielle Wechselwirkungen mit anorganischen Schadstoffen

Mikrobielle Wechselwirkungen mit anorganischen Schadstoffen: Induzierte Aktivität und Augmentation von Mikroorganismen sind nicht nur harmlos, sondern können auch zu toxischen Endprodukten führen.

Auswirkungen im Bergbau

Im Kohlebergbau und in Metallbetrieben oxidiert Sauerstoff durch autooxidative Prozesse Pyrit (FeS₂) zu Eisen(II)-Ionen und Schwefelsäure. Dies führt zu saurem Regen, saurer Entwässerung und einer Kontamination von Grundwasserleitern sowie Pflanzen.

Nitrat-transformierende Mikroben

Ein Großteil des als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzten Nitrats (NO₃⁻) wird durch mikrobielle Transformation in toxische Verbindungen wie Nitrit (NO₂⁻) und Distickstoffoxid (N₂O) umgewandelt, die zur Denitrifikation beitragen.

  • Nitrit (NO₂⁻) ist giftig für Futtermittel, Tiere und Gemüse und kann beim Menschen Vergiftungserscheinungen hervorrufen.
  • Die Reduktion von Nitrit hemmt Clostridium botulinum, begünstigt jedoch die Bildung von Aminen und kanzerogenen N-Nitrosaminen in Lebensmitteln.
  • Distickstoffoxid (N₂O) trägt zum Abbau der Ozonschicht bei.

Maßnahmen zur Remediation

Die Verwendung von Harnstoff- oder Ammonium-haltigen Düngern sollte kontrolliert erfolgen. Der Zusatz von Nitrifikationshemmern wie Nitrapyrin hemmt die Aktivität der Nitrosomonas-Bakterien. Biologische Düngung (Azotobacter, Rhizobien, Mykorrhiza) stellt eine nachhaltige Alternative dar.

Wechselwirkungen mit Metallen und Metalloiden

Einige Metalle, wie Quecksilber (Hg), Selen (Se) oder Arsen (As), werden mikrobiell methyliert. Dadurch erhöht sich ihre Toxizität und sie können sich über die Nahrungskette biomagnifizieren.

Schwermetalle wie Cadmium (Cd) sind unter reduzierenden oder alkalischen pH-Bedingungen in Sedimenten und Klärschlämmen weniger mobil, unter sauren Bedingungen jedoch leicht mobilisierbar, bioakkumulierbar und damit gefährlich für Tiere und Menschen.

Biologische Mechanismen bei Schwermetallen

  1. Bindung des Kations an die Zelloberfläche, z. B. über Zellulose oder Kapselpolysaccharide
  2. Aufnahme in die Zelle und Transport über aktive Transportsysteme
  3. Präzipitation durch Produkte des Stoffwechsels (z. B. Sulfid oder Phosphat)
  4. Biotransformation der Metallverbindungen

Atmosphärische Belastung

Kohlenstoffmonoxid (CO) entsteht bei unvollständiger Verbrennung, Stickstoffdioxid (NO₂) führt zu saurem Regen und Ozonbildung, Schwefeldioxid (SO₂) aus der Verbrennung schädigt Pflanzen, und Blei (Pb) schädigt die menschliche Gesundheit sowie Flora und Fauna. Feinstaub in der Luft verursacht Atemwegsprobleme.

Biologische Luftreinigung

Biofilter, Rieselbettreaktoren und Biowäscher nutzen Mikroorganismen zum Abbau flüchtiger organischer Verbindungen und schwefelhaltiger Gase. Im Biowäscher wird die Abluft im Gegenstrom mit einer bakteriellen Suspension behandelt, wodurch sich flüchtige organische Verbindungen effektiv abbauen lassen.

Grundwassersanierung

Ziel ist es, kontaminierte Brunnen und sensible Bereiche zu isolieren. Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) sind ein komplexes Problem, da sie unter anaeroben Bedingungen teilweise nur cometabolisch abgebaut werden. Methanotrophe Bakterien (mit Methanmonooxygenase) können Dichlorethylen und Vinylchlorid abbauen.

Biolaugung

Bei der Laugung werden Metalle aus pulverisiertem Gestein durch Lösungsmittel oder Mikroorganismen herausgelöst. Sie wird im Bergbau eingesetzt, etwa beim In-situ-Uranbergbau sowie bei der Gewinnung von Gold und Kupfer. Vorteile sind geringere Kosten, ein geringerer Eingriff in die Umwelt und eine einfachere Nachsorge.

Thiobacillus ferrooxidans ist ein typischer Vertreter der an der Biolaugung beteiligten Bakterien. Vorteile sind die Kompatibilität mit der Umwelt, der Verzicht auf SO₂-Emissionen durch pyrometallurgische Verfahren und ein geringerer Verbrauch an Reagenzien. Nachteile sind die langsame Reaktionsgeschwindigkeit und die verdünnten Lösungen, die vor der Wiederverwendung aufbereitet werden müssen.

Sickerwasser aus Abfalldeponien

Hausmüll bildet Sickerwasser mit gelösten, teils giftigen Substanzen. Die Behandlung von Sickerwasser erfordert wasserdichte Deponien und integrierte Drainage- und Behandlungssysteme.

Xenobiotika

Xenobiotika sind synthetische chemische Verbindungen, die in der Natur nicht vorkommen. Sie sind oft schwer biologisch abbaubar.

  • Recalcitrante Verbindungen: Strukturell komplex, schlecht wasserlöslich, toxisch und langlebig.
  • Bioakkumulation: Xenobiotika reichern sich in Organismen und Nahrungsketten an.

Biologische Schädlingsbekämpfung

Viren

Baculoviren, Tridoviridae, Parvoviren, Picornaviren und Rhabdoviren wirken spezifisch gegen Larven von Schmetterlingen und Blattwespen. Die Infektion erfolgt über oral aufgenommene Occlusion Bodies, die im alkalischen Darm der Larven aufgelöst werden. Die Viren infizieren Darmzellen und breiten sich im Körper aus.

Pilze

Sporen entomopathogener Pilze wie Beauveria bassiana, Verticillium lecanii, Metarhizium anisopliae dringen durch die Kutikula in das Insekt ein, keimen aus und zerstören das Gewebe. Die Wirkung ist artspezifisch.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe

Halogenierte Verbindungen sind sehr stabil und oft schwer abbaubar. Biologischer Abbau erfolgt durch:

  1. Cometabolismus: Abbau durch Enzyme, die andere Substrate umsetzen.
  2. Fotodegradation: Abbau durch Sonnenlicht, teilweise mit Katalysatoren.

Typen:

  • Halogenalkane (z. B. Tetrachlorethen, Freone): anaerob durch reduktive Dehalogenierung, aerob durch Monooxygenasen.
  • Halogenaromaten (Halobenzole, Halophenole): anaerob durch Hydrogenolyse, aerob durch Dioxygenasen.

Nitroaromaten

Nitroaromaten (z. B. Nitrobenzol) sind Bestandteile von Lösungsmitteln, Pestiziden und Farbstoffen. Anaerob wird die Nitrogruppe bevorzugt zu Aminen reduziert.

Polychlorierte Biphenyle (PCB)

PCB sind schwer abbaubar und reichern sich stark im Fettgewebe an. Anaerob erfolgt eine Dechlorierung, aerob ein Abbau durch Pilze wie Phanerochaete chrysosporium.

Synthetische Polymere

Biologisch abbaubare Kunststoffe wie Polymilchsäure, Stärkeverbundwerkstoffe und Polyhydroxyalkanoate werden durch Mikroorganismen wie Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes und Azotobacter zersetzt. Konventionelle Kunststoffe wie Polyethylen, Polyvinylchlorid und Polystyrol sind dagegen weitgehend persistent.

Tenside

Alkylbenzolsulfonate sind anionische Tenside, die als Emulgatoren für Fette und Öle wirken. Verzweigte Tenside sind schwerer abbaubar als lineare; lineare Alkylsulfonate werden unter aeroben Bedingungen durch Konsortien von Mikroorganismen effektiv abgebaut.

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