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Abbau und Effekt ausgewählter anthropogener Stoffe im Biogasprozess

Balsam, Matthias

Die Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und organischen Reststoffen wird auch in Zukunft in Deutschland zum Erreichen der Ziele der Energiewende eine wichtige Rolle spielen. Eine optimale Prozess-Führung, -Kontrolle und -Kenntnis ist dabei unerlässlich, um den Biogasprozess so effektiv wie möglich zu gestalten. Gängige Substrate wie Mais und Gülle führen immer häufiger anthropogene Verunreinigung wie Pestizide, Antibiotika und veterinäre Desinfektionsmittel mit sich. Es muss daher sichergestellt sein, dass diese anthropogenen Stoffe weder eine Belastung für die mikrobiologischen Prozesse darstellen noch eine Gefährdung von diesen für Mensch und Umwelt ausgehen. In der vorliegenden Arbeit sollten Kenntnisse über den Einfluss von anthropogenen Stoffen auf den anaeroben Vergärungsprozess anhand von Laborversuchen erlangt werden. Als relevante anthropogene Stoffe wurden die aktiven Bestanteile von veterinären Desinfektionsmitteln, quaternären Ammoniumverbindungen, und das Pestizid Glyphosat getestet. Hierbei wurden neben der Betrachtung der Biogasproduktion anhand von Fettsäureprofilen die beeinflussten Gruppen von anaeroben Mikroorganismen ermittelt. Erweiternd zu vorangegangenen Studien sollte für die Gruppe der quaternären Ammoniumverbindungen getestet werden, ob Mischungen von mehreren Substanzen einen verstärkenden (synergistischen) Effekt aufweisen. Ferner wurden Abbau- und Adsorptionsversuche durchgeführt, um das Umweltverhalten dieser Stoffe zu simulieren. All dies erforderte sensitive, substanzspezifische Analysenverfahren aus biologischen Matrices, welche im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt und validiert wurden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass von Glyphosat und seinem Metaboliten Aminomethylphosphonsäure (AMPA) für den zu erwartenden Konzentrationsbereich keine Beeinflussung der mikrobiologischen Prozesse zur Biogaserzeugung aus gehen. Jedoch zeigten die quaternären Ammoniumverbindungen bereits bei deutlich geringeren Konzentrationen (1 bis 5 mmol·L-1) einen Einfluss auf die anaeroben Mikroorganismen. Außerdem konnten für diese Substanzen synergistische Effekte festgestellt werden (0,1 bis 0,01 mmol·L-1). Dies ist besonders kritisch, da quaternäre Ammoniumverbindungen in diesen Konzentrationsbereichen (0,01 mmol·L-1) bereits in Biogasanlagen nachgewiesen wurden. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist, dass gezeigt wurde, dass die Hydrophilie der quaternären Ammoniumverbindungen über die Toxizität dieser Stoffe entscheidet, die mit steigender Membranlöslichkeit zur Zelllysis führen. Dies betraf vorwiegend die Archaeen. Ein Abbau dieser Substanzen konnte nicht festgestellt werden. Der hohe Eliminationsgrad der Substanzen wurde auf Adsorption zurückgeführt. Die Ergebnisse und die daraus gezogenen Schlüsse zum Einsatz von quaternären Ammoniumverbindungen können für Betreiber von Biogasanlagen als Verfahrensvorschläge verwendet werden

The production of biogas from renewable materials and organic waste will play an important role for the renewable energy sector in Germany. Optimal management, control and knowledge of the process are essential for an effective anaerobic digestion. An increasing level of feedstock contamination with pesticides, antibiotics and veterinary disinfectants was recently reported. Therefore, it is essential to ensure that these anthropogenic substances do not negatively impact microbiological processes and the environment. In this work, laboratory tests were performed to detect the influence of anthropogenic substances on anaerobic digestion. Thus, active ingredients of veterinary disinfectants (quaternary ammonium compounds) and the pesticide glyphosate were tested as relevant anthropogenic substances. Apart from the study of biogas production, the fatty acid profiles were analyzed to evaluate which anaerobic microorganisms were influenced. In addition to previous studies, experiments should be included that test for synergistic effects of individual substances or mixtures of quaternary ammonium compounds. Furthermore, degradation and adsorption experiments were carried out to simulate the environmental behavior of these substances. All tests required sensitive, substance specific analytical methods from complex matrices, which were further developed and validated within this work. The test results show that glyphosate and its metabolite aminomethylphosphonic acid do not influence the microbiological processes of biogas production in the expected concentration range. However, quaternary ammonium compounds affected the anaerobic microorganisms already at significantly lower concentrations (1 to 5 mmol·L-1). In addition, synergistic effects were observed for these substances (0.1 to 0.01 mmol·L-1). This is particularly critical, since quaternary ammonium compounds have already been detected in biogas plants in similar concentrations (0.01 mmol·L-1). An important result of this work is that the hydrophilicity of the quaternary ammonium compounds was determined as a reason for toxicity due to cell lysis with increasing membrane solubility. This mainly concerned the methanogenic archaea. The degradation of these substances could not be determined. The high elimination rate of these substances was attributed to adsorption on the sewage sludge. The results and the resulting conclusions for the use of quaternary ammonium compounds can be used as a procedural requirement for anaerobic digestions.

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Balsam, Matthias: Abbau und Effekt ausgewählter anthropogener Stoffe im Biogasprozess. 2018.

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