Verfahrenstechnische und mikrobiologische Optimierung von Biofiltersystemen in Aquakulturanlagen

Thema: Verfahrenstechnische und mikrobiologische Optimierung von Biofiltersystemen in Aquakulturanlagen

Koordination: LimnoMar Dr. Burkard T. Watermann

Bearbeitung des Teilprojektes: Prof. Dr. Wolfgang Sand, B.Sc. Jürgen Schrötz 

Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Kooperationspartner: LimnoMar Hamburg, GEA 2H Water Technologies GmbH, GMA Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH, Kunststoff Spranger GmbH, Biozentrum Klein Flottbek Universität Hamburg AG Spieck

Projekt Phase 2: August 2008 bis Mai 2010

Projektbeginn Phase 3: Juni 2010 bis Juli 2012

Durch die Überfischung der Weltmeere wächst das Interesse an Aquakulturanlagen weltweit. Im Gegensatz zu Netzkäfigen, schonen Kreislaufanlagen die Ressourcen, da das Wasser nach einer biologischen Reinigung wiederverwertet wird. Bislang gibt es nur wenige mikrobiologische Untersuchungen zur Biofiltration in marinen Aquakulturanlagen, so dass der Entwicklungsbedarf auf diesem Gebiet hoch ist.

Im Rahmen der Projekt-Phase 2, wurde in der AK Sand die initiale Anheftung von marinen Nitrifikanten auf unterschiedlich zusammengesetzten Kunststofffolien untersucht. 
Es wurde für die Visualisierung von Anheftungsversuche die BioMAT^TM Workstation von JPK Instruments (Rasterkraftmikroskop (AFM) gekoppelt mit Epifluoreszenzmikroskop (EFM)) eingesetzt. 
In weiterführenden Experimenten wird in Projekt-Phase 3 beabsichtigt:

die verantwortlichen EPS (extrazelluläre polymere Substanzen) für die Biofilmbildung der Nitrifikanten zu analysieren. 

Aufbau eines Bioreaktors mit einem Volumen von 135 Liter (Parameterüberwachung durch online Monitoring) um darin Füllkörper verschiedenen Typs mit Nitrifikanten zu inkubieren und den Aufwuchs verfolgen. 
Oberflächenanalysen mittels chemische modifizierte Cantilever mit dem Ziel, die polare Ladung der Oberfläche zu messen.

Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) von Werkstoffen

Thema: Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) von Werkstoffen

Projekt in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicherheits-, Energietechnik UMSICHT

Bearbeitung: Nanni Noël (MSc), Prof. Dr. W. Sand.

Ansprechpartner Fraunhofer UMSICHT: Dr. H. Wack

Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) ist ein chemischer Angriff auf Oberflächen diverser Materialien wie Beton, Eisen und Polymere durch Schwefelsäure bildende Thiobacillen. BSK tritt vor allem in Abwasser- Kanalsystemen auf. Die dort auftretenden Schwefelverbindungen werden durch Mikroorganismen abgebaut. Es entstehen gasförmige S-Verbindungen, die sich im Gasraum anreichern. Durch chemische Oxidation von H2S zu Elementarschwefel und die sich anschließende, biologische Oxidation via Thiosulfat und andere Polythionate sinkt der pH (<7). Die reduzierten Schwefelverbindungen werden zu Schwefelsäure oxidiert. Dadurch werden Wachstumsbedingungen für Thiobacillen (T. neapolitanus, T. intermedia) geschaffen und der pH sinkt weiter ab. Ab einem pH von 5,5 kann A. thiooxidans die Oberfläche besiedeln. Im pH Bereich von 2,0- 3,0 findet dieser Organismus optimale Wachstumsbedingungen. Es kommt somit zu einer sukzessiven Besiedlung von Oberflächen mit verschiedenen Thiobacillen. Als Stoffwechselprodukt dieser Organismen entsteht Schwefelsäure, die einen Angriff auf die verschiedenen Werkstoffe auslöst.
In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut UMSICHT in Oberhausen wurde ein Versuchsstand entwickelt, indem die Auswirkung von BSK auf unterschiedliche Materialien getestet wird. Die Bewitterung erfolgt bei Fraunhofer UMSICHT, wohingegen die Untersuchung des mikrobiellen Korrosionseinflusses im Labor in der Aquatische Biotechnologie an der Uni Duisburg erfolgt. Die Proben werden sowohl analytisch (Nachweis elementarer Schwefel und Schwefelverbindungen mittels IC, HPLC), als auch mikrobiologisch untersucht. Die mikrobielle Analytik enthält die Analyse unterschiedlichster Mikroorganismen wie acidophile und neutrophile Eisen- und Schwefeloxidierer, Sulfatreduzierer, Nitrifikanten, Pilze, chemoorganotrophe Organismen etc. .
Mit Hilfe dieser Anlage können Materialien auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen BSK getestet und optimiert werden.

Neuartiger Korrosionsschutz durch Verwendung mikrobieller extrazellulärer polymerer Substanzen (Biofilm-induzierte Korrosionsinhibition)

Thema: Biokorrosion (MIC - mikrobiell beeinflusste Korrosion)

Verbundprojekt, gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF Otto, Januar 2005 bis Oktober 2007, Fortsetzung bis Oktober 2010. Kooperationspartner: DECHEMA e.V., Karl-Winnacker-Institut, Frankfurt (Main).

Bearbeitung des Teilprojekts: Prof. Dr. Wolfgang Sand, Dr. Tilman Gehrke, M.Sc. Andrzej Kuklinski.

Hintergrund: Es wurde gezeigt, dass verschiedene Biofilme mikrobiell beeinflusste Korrosion (MIC) direkt oder indirekt beeinflussen können. Dabei werden die meisten schützenden Eigenschaften den EPS zugeschrieben. Darüberhinaus konnte nachgewiesen werden, dass EPS unterschiedlicher Herkunft mikrobielle Adhäsion und damit die Bildung schädlicher Biofilme verhindern oder zumindest beeinflussen können. Bisher wurde nur wenig Forschung betrieben, um das Potential von EPS zur Korrosionsvermeidung zu untersuchen. Da konventionelle Maßnahmen gegen MIC im allgemeinen teuer, ineffektiv und/oder bedenklich für die Umwelt sind, stellt die Anwendung von EPS einen vielversprechenden neuen Ansatz dar.

Adhäsions- und Verbreitungsmechanismen von Eisen- und Schwefel-oxidierenden Mikroorganismen auf Eisensulfiden und deren Hemmung

Koordination: Herr Dr. M. Strzodka, Herr Dr. P. Jolas , Herr I. Arnold, 

Bearbeitung des Teilprojektes: Bianca Florian, MSc
Auftraggeber/orderer: GMB, MIBRAG, Vattenfall

Kooperationspartner: Hochschule Lausitz (FH) University of Applied Science

Arbeitsgruppe: Prof. Dr. K.-P. Stahmann; 
Bearbeitung des Teilprojektes/ processing of subproject: H.-M. Siebert, MSc

Leistungszeitraum: 2008 bis 2010

Die biologische Laugung ist ein Prozess, bei dem acidophile Mikroorganismen mittels biologischer Oxidation Metallsulfide wie Pyrit und Chalcopyrit auflösen. Laugungsprozesse werden zur Gewinnung von Gold, Kupfer, Zink oder Nickel in Halden oder Tanklaugungsprozessen eingesetzt. Andererseits kann die biologische Laugung in natürlichen Prozessen dort zu „acid mine drainage (AMD)/acid rock drainage(ARD)" führen, wo Eisensulfide natürlich vorkommen, wie im Braunkohletagebau. Forschung hat gezeigt, dass die Anheftung an und Biofilmbildung auf Metallerzen für mikrobielle Laugungsprozesse eine wichtige Rolle spielt. Auf Grund dessen wurde der Schwerpunkt dieser Forschung auf die Quantifizierung und Visualisierung der initialen Kolonisierung und Biofilmbildung von Laugungsorganismen an sulfidische Minerale gelegt. Sessile und planktonische Zellen und deren Biofilme werden mittels Epifluoreszenzmikroskopie mit Färbungen durch DAPI, SytoTM9, FISH, Lektin und Calcofluor sichtbar gemacht. Zur Visualisierung von Zellmorphologie, räumlicher Anordnung der Zellen auf der Mineraloberfläche und der Mineraloberflächenstruktur wird ein Rasterkraftmikroskop verwendet. Die Untersuchungen dienen dazu, den Anheftungsmechanismus im Detail zu erklären, um dann effiziente Methoden zur Inhibierung von AMD/ARD entwickeln zu können.
Versuche zur Inhibierung der Laugung mittels verschiedener Detergenzien werden in Perkolationssäulen mit Material aus Braunkohletagebauen durchgeführt, in denen das Phänomen AMD/ARD auftritt. Mit Hilfe der Mikrokalorimetrie werden metabolische Aktivitäten von AMD/ARD- Mikroorganismen nachgewiesen.

Entwicklung von Bioreagenzien für die Sulfiderzflotation

Thema: Bioflotation

Verbundprojekt, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), April 2000 bis Juli 2002; fortgesetzt: Dezember 2002 bis April 2005

Beteiligt sind neben der Universität Duisburg-Essen das Institut für Aufbereitung und Deponietechnik der Technischen Universität Clausthal

Koordination: Institut für Aufbereitung und Deponietechnik der Technischen Universität Clausthal, Clausthal-Zellerfeld; Bearbeitung des Teilprojektes: Prof. Dr. Wolfgang Sand, Dipl.-Biol. Kerstin Harneit

Biotechnology for Metal bearing materials in Europe (BioMinE)

Mehr: Projekt-Website

Thema: Biolaugung, Bioflotation

Beteiligt sind neben der Universität Duisburg-Essen BRGM, Hellenic Copper Mines, Tampere University of Technology, Technische Universität Berlin, IGME, National Technical University of Athens, Bioclear B.V., Paques B.V., Wageningen University, Instityt Metali Niezelaznych, Instituto National De Engeharia, De Beers Consolidated Mines Ltd, MINTEK, University of Cape Town, University of Stellenbosch, Universidad Autonoma de Madrid, Luleå University of Technology, MEAB Metallextraktion AB, Umeå University, CellFacts Instruments Ltd,Greenwich Resources plc, Imperial College of Science & Technology, Rio Tinto Technical Services Ltd, University of Wales, University of Warwick, Tecnicas Reunidas S.A., Outokumpu Research Oy, Umicore, Skeria, CNRS, Universität Stuttgart, PE Europe GmbH, The Institute for Nonferrous and Rare Metals sowie MiltonRoy Mixing

Koordination: Bureau de Recherches Geologiques et Minieres (BRGM), Orleans; Bearbeitung des Teilprojektes: Prof. Dr. Wolfgang Sand, Dr. Tilman Gehrke, Dr. Thore Rohwerder

Entwicklung einer quellfähigen Gummidichtung auf Basis von Elastomer-Faser-Mischungen

Thema: Biofilme

Verbundprojekt, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), April 2002 bis April 2005

Beteiligt sind neben der Universität Duisburg-Essen das Forschungsinstitut für Tief- und Rohrleitungsbau Weimar e.V., das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V., GKT Gummi- und Kunststofftechnik Fürstenwalde GmbH, das Ingenieurbüro für Bauwerkserhaltung Weimar GmbH sowie die Ostthüringische Materialprüfungsgesellschaft für Textil- und Kunststoffe mbH Rudolstadt

Koordination: Forschungsinstitut für Tief- und Rohrleitungsbau e.V., Weimar; Bearbeitung des Teilprojektes: Prof. Dr. Wolfgang Sand, Dipl.-Biol. Florian Brill