Mikrobieller Schadstoffabbau

1 Einführung.- 1.1 Umweltbiotechnologie als Gegenstand interdisziplinärer Begleitforschung.- 1.1.1 Biotechnologie zur Verringerung von Umweltbelastungen.- 1.1.2 Ausgangspunkte für die Begleitforschung zum mikrobiellen Schadstoffabbau am Zentrum für Ethik in den Wissenschaften.- 1.1.3 Expertenkolloquium zum mikrobiellen Schadstoffabbau.- 1.1.4 Konzeption und Ziele des Publikationsprojektes.- 1.1.5 Aufbau der Publikation.- 1.1.6 Ausblick.- 1.1.7 Anmerkungen.- 1.1.8 Literatur.- 2 Modelle für das Verhalten organischer Schadstoffe im Untergrund.- 2.1 Beispiele für die Untersuchung und Beschreibung komplexer Prozesse in Umweltsystemen.- 2.2 Auswirkung der Lösungs- und Desorptionskinetik auf die Bioverfügbarkeit organischer Schadstoffe.- 2.2.1 Bioverfügbarkeit.- 2.2.2 Nicht-Gleichgewichtstransport.- 2.2.3 Sorption hydrophober organischer Schadstoffe in Böden und Sedimenten.- 2.2.4 Desorptions- und Lösungskinetik von Schadstoffen.- 2.2.5 Zusammenfassung.- 2.2.6 Literatur.- 2.3 Strömungs- und Transporteigenschaften des Untergrundes und ihre Bedeutung für den mikrobiellen Schadstoffabbau.- 2.3.1 Maßgebliche Gleichungen für den Stofftransport im Grundwasser.- 2.3.2 Die Wirkung der Dispersion.- 2.3.3 Die Wirkung der räumlich variablen Durchlässigkeit.- 2.3.4 Strömung und Transport in Systemen mit mehreren mobilen Phasen.- 2.3.5 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen.- 2.3.6 Notation.- 2.3.7 Zitate und Hinweise zu einführender Literatur.- 2.4 Chemische Reaktionen organischer Schadstoffe in der Umwelt.- 2.4.1 Reaktionen mit nukleophilen Spezies.- 2.4.2 Oxidations- und Reduktionsreaktionen.- 2.4.3 Schlußbemerkungen.- 2.4.4 Begriffe und Definitionen.- 2.4.5 Literatur.- 3 Die mikrobielle Umsetzung von Schadstoffen.- 3.1 Forschungsansätze und Methoden der Mikrobiologie.- 3.2 Anaerober Abbau organischer Schadstoffe.- 3.2.1 Prinzipien des anaeroben Abbaus.- 3.2.2 Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe.- 3.2.3 Aliphatische und aromatische halogenierte Verbindungen.- 3.2.4 Abbau von Ether-Verbindungen.- 3.2.5 Abbau von Stickstoff-Alkyl-Verbindungen.- 3.2.6 Schlußbemerkungen.- 3.2.7 Definitionen.- 3.2.8 Literatur.- 3.3 Grundlegende Aspekte des bakteriellen Abbaus von Chloraromaten.- 3.3.1 Was kann Abbau bedeuten?.- 3.3.2 Wie kommt man zu den Verwertern?.- 3.3.3 Die Abbauwege.- 3.3.4 Vergleich zwischen Enzymen und Genen des Catechol- und des Chlorcatecholabbaus.- 3.3.5 Literatur.- 3.4 PAK-Abbau und Freisetzung von Metaboliten.- 3.4.1 Abbauwege.- 3.4.2 Bildung und Freisetzung von Metaboliten.- 3.4.3 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen.- 3.4.4 Literatur.- 3.5 Plasmide für die Resistenz gegen Schwermetalle in Alcaligenes eutrophus.- 3.5.1 Zur Biologie schwermetallresistenter Bakterien der Gattung Alcaligenes,.- 3.5.2 Die Organisation der plasmidcodierten Schwermetallresistenz bei Alcaligenes eutrophus CH34,.- 3.5.3 Kationenefflux und die Fällung von Schwermetallen.- 3.5.4 Anwendungsperspektiven für Schwermetall-Biosensoren.- 3.5.5 Zusammenfassung.- 3.5.6 Anmerkungen.- 3.5.7 Literatur.- 3.6 Notwendigkeit und Praxisrelevanz der physiologischen Charakterisierung von Biozönosen kontaminierter Standorte.- 3.6.1 Begriffe und Konzepte der mikrobiellen Ökologie.- 3.6.2 Struktur und Funktion mikrobieller Lebensgemeinschaften.- 3.6.3 Notwendigkeit der physiologischen Charakterisierung von Standortpopulationen.- 3.6.4 Praxisrelevanz der physiologischen Charakterisierung von Standortpopulationen.- 3.6.5 Grenzen und Möglichkeiten bei der Erfassung mikrobieller Lebensgemeinschaften.- 3.6.6 Schlußfolgerungen.- 3.6.7 Literatur.- 3.7 Kommentar zu limitierenden Faktoren des PAK-Abbaus.- 3.7.1 Limitierte biotische Faktoren.- 3.7.2 Chemische und physikalische Faktoren.- 3.7.3 Schlußfolgerungen.- 3.7.4 Literatur.- 3.8 Mobilität von Genen für den Abbau halogenierter Aromaten in Klärfloren.- 3.8.1 Problemstellung.- 3.8.2 Konstruktion einer spezifischen Genprobe für die Halogenbenzol-Dioxygenase.- 3.8.3 Untersuchung des Gentransfers in Mischkulturen.- 3.8.4 Verhalten der Teststämme im Abwasser.- 3.8.5 Anforderungen an spezifische Gensonden.- 3.8.6 Zusammenfassende Diskussion des Gentransfers.- 3.8.7 Zusammenfassende Bewertung.- 3.8.8 Literatur.- 3.9 Die durch Plasmide vermittelte Ausbreitung von Genen aus der Perspektive der biotechnischen Sanierung.- 3.9.1 Plasmide: allgemeine Merkmale und Klassifikation.- 3.9.2 Plasmidvermittelter Gentransfer im Überblick.- 3.9.3 Die plasmidvermittelte Ausbreitung von Genen: spezifische Eigenschaften von Plasmiden mit breitem Wirtsspektrum.- 3.9.3 Test für das Entweichen von Genen.- 3.9.4 Isolierung neuer Plasmide mit breitem Wirtsbereich.- 3.9.5 Die Ausbreitung von Genen im Zusammenhang mit der biologischen Umweltsanierung (Genaufnahmetest).- 3.9.6 Zusammenfassung.- 3.9.7 Anmerkungen.- 3.9.8 Literatur.- 4 Rahmenbedingungen für den Einsatz umweltbiotechnischer Verfahren.- 4.1 Orientierungen durch und für interdisziplinäre und gesellschaftliche Diskussionsprozesse.- 4.2 Umweltbiotechnologie und Ethik? Über den Umgang mit Risiken, Verantwortung und Entscheidungsfindung.- 4.2.1 Die ambivalenten Folgen des wissenschaftlich-technischen Fortschrittes als Verantwortungsproblem.- 4.2.2 Verantwortung für die bzw. in Institutionen von Wissenschaft und Technik.- 4.2.3 Die gesellschaftliche Diskussion um (technikinduzierte) Risiken.- 4.2.4 Technikfolgenabschätzung als Möglichkeit der Verantwortungswahrnehmung.- 4.2.5 Kriterien und Vorzugsregem für eine ethisch begründete Urteilsbildung.- 4.2.6 Schlußfolgerungen.- 4.2.7 Anmerkungen.- 4.2.8 Literatur.- 4.3 Altlastensanierung, Bodenschutz und intergenerationelle Gerechtigkeitgrundsätzliche Überlegungen zur Begründung und Abwägung von Sanierungszielen.- 4.3.1 Definitionen für wichtige Funktionen der Umwelt.- 4.3.2 Sanierung zum Schutz der Umwelt von Altlasten.- 4.3.3 Altlastensanierung als Flächenrecycling.- 4.3.4 Bodenschutz, intergenerationelle Gerechtigkeit und die Abwägung von Sanierungszielen.- 4.3.5 Exkurs: Die Definition schädlicher Bodenveränderung im Entwurf des Bundesbodenschutzgesetzes vom 18.8.1995.- 4.3.6 Schlußfolgerungen.- 4.3.7 Anmerkungen.- 4.3.8 Literatur.- 4.4 Zur Integration des mikrobiellen Schadstoffabbaus in Konzepte und Praxis der Bodensanierung.- 4.4.1 Defizite bei Standards und Qualitätssicherung für die Altlastensanierung?.- 4.4.2 Ansätze für ein einheitliches Vorgehen.- 4.4.3 Bewertungsprobleme: humantoxikologische Kriterien.- 4.4.4 Bewertungsprobleme: ökotoxikologische Kriterien.- 4.4.5 Qualitätssicherung in der Analytik.- 4.4.6 Auswahl von Sanierungsverfahren.- 4.4.7 Einsatz biotechnischer Sanierungsverfahren.- 4.4.8 Integration von Sanierungszielen und -maßnahmen.- 4.4.9 Schlußfolgerungen.- 4.4.10 Anmerkungen.- 4.4.11 Literatur.- 5 Erfahrungen mit Anwendungsbeispielen und Modellvorhaben.- 5.1 Trends für den Einsatz von Bioreaktoren in der Umwelttechnik.- 5.1.1 Einleitung.- 5.1.2 Rahmenbedingungen der biologischen Bodensanierung.- 5.1.3 Bodensanierung in Bioreaktoren.- 5.1.4 Schlußbemerkung.- 5.1.5 Literatur.- 5.2 Bioprozesse zur Entfernung von Schwermetallen aus Wasser und Boden.- 5.2.1 Solubilisierung von Schwermetallen.- 5.2.2 Desolubilisierung von Schwermetallen.- 5.2.3 Schwermetallresistenz und der Abbau organischer Verbindungen.- 5.2.4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen.- 5.2.5 Literatur.- 5.3 Möglichkeiten und Grenzen der Mietentechnik sowie deren Einsatzmöglichkeiten in kombinierten Verfahren.- 5.3.1 Einleitung.- 5.3.2 Einsatzmöglichkeiten biologischer Sanierungsverfahren.- 5.3.3 Mikrobiologische Abbaustudien.- 5.3.4 Verwertungsmöglichkeiten des gereinigten Bodenmaterials.- 5.3.5 Verfahrenstechnik.- 5.3.6 Hinweise auf verwendete und weiterführende Literatur.- 5.4 Sanierungsverfahren am Modellstandort Eppelheim: Biologischer Abbau von leichtflüchtigen Schadstoffen in Wasser, Boden und Luft.- 5.4.1 Einleitung.- 5.4.2 Ziele des Entwicklungsvorhabens.- 5.4.3 Verfahrensbeschreibung.- 5.4.4 Mikrobiologie.- 5.4.5 Beispiele einer Bilanzierung.- 5.4.6 Aussichten zu den angewandten Verfahren.- 5.4.7 Zusammenfassung.- 5.4.8 Literatur.- 5.5 Modellstandort Povel: Strategien zur Sanierung von Altstandorten.- 5.5.1 Anhang.- 5.6 Altlastenprobleme der Carbochemie in Nordwestsachsen: Entstehung, Ausmaß und erste Sanierungskonzepte.- 5.6.1 Einleitung.- 5.6.2 Die Geologie des mitteldeutschen Raumes.- 5.6.3 Industrie im mitteldeutschen „Industriedreieck“.- 5.6.4 Altlasten der Carbochemie.- 5.6.5 Grundlegende Sanierungsstrategien.- 5.6.6 Fallbeispiel: Schwelwasserdeponie.- 5.6.7 Abschließende Bemerkungen.- 5.6.8 Literatur.- 6 Beiträge zur Diskussion sanierungsrelevanter Standardisierungen.- 6.1 Bestimmung des Gesamtkohlenwasserstoffgehaltes von Bodenproben: Kritische Interpretation der Analysenresultate im Hinblick auf die Altlastenbewertung und -Sanierung.- 6.1.1 Richtlinien und Normen für die Analyse von Mineralölverunreinigungen.- 6.1.2 Material und Methoden.- 6.1.3 Ergebnisse vergleichender Kohlenwasserstoffbestimmungen.- 6.1.4 Probleme der Anwendung verschiedener Extraktions- und Analysenmethoden.- 6.1.5 Empfehlungen zur Standardisierung.- 6.1.6 Literatur.- 6.2 Biotoxizitätstests — Kommentar zur Anwendung in der Altlastenerkundung.- 6.2.1 Anwendungsbereiche.- 6.2.2 Fallbeispiele.- 6.2.3 Zusammenfassung.- 6.3 Einfache ökotoxikologische Untersuchungen zur Charakterisierung der Umweltbelastung — Annäherungen an eine In-situ-Umweltmeßtechnik.- 6.3.1 Vorüberlegungen zur Erprobung biologischer Testverfahren.- 6.3.2 Vergleichende Ergebnisübersicht.- 6.3.3 Bewertung des Kressewurzeltestes [Lüssem und Rahmann, 1980].- 6.3.4 Bewertung des Biolumineszenztestes [Normenausschuß Wasserwesen, 1991].- 6.3.5 Bewertung des Daphnientestes [OECD, 1992].- 6.3.6 Die ökotoxikologischen Tests im Vergleich.- 6.3.7 Ermutigende Perspektiven für die Vor-Ort-Analytik.- 6.3.8 Literatur.- 6.4 Die Niederländische Liste.- 6.4.1 Zur Beurteilung von Belastungssituationen anhand von Richtwerten und Listen.- 6.4.2 Literatur.- 6.5 Arbeitsschutzaspekte der Altlastensanierung und der Umweltbiotechnologie.- 6.5.1 Gefährdungspotentiale im Überblick.- 6.5.2 Beispiele für Regelungen und Schutzmaßnahmen beim Umgang mit Gefahrstoffen.- 6.5.3 Relevante biologische Arbeitsstoffe.- 6.5.4 Generelle Kontaktmöglichkeiten mit biologischen Agenzien bei Sanierungsarbeiten.- 6.5.5 Expositionspotentiale am Beispiel einer mobilen Bodenwaschanlage.- 6.5.6 Beispiele für erhöhte Konzentrationen biologischer Arbeitsstoffe bei biotechnischen Reinigungsverfahren.- 6.5.7 Einsatz von Spezialkulturen in der Umweltbiotechnologie.- 6.5.8 Schlußbewertung.- 6.5.9 Anmerkungen.- 6.5.10 Literatur.- 7 Anhang.- 7.1 Beipiele für Organisationsstruktur und Ausrichtung bei Modellvorhaben und Forschungsinstitutionen.- 7.1.1 Organisation der Sanierung Povel/Nordhorn [1].- 7.1.2 Altlastenerhebung und Modellstandortprogramm in Baden-Württemberg [2].- 7.1.3 Das Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH (UFZ) [3].- 7.1.4 Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung VEGAS, Stuttgart [4].- 7.1.5 Anmerkungen.- Selbstdarstellung der Autorinnen und Autoren sowie einzelner Institutionen.