Untersuchung des Abbaus von Spurenstoffen durch kombinierte oxidativ-enzymatische Abwasserbehandlung
Der kontinuierliche Eintrag von Spurenstoffen in die aquatische Umwelt, insbesondere durch konventionelle Kläranlagen, stellt aufgrund möglicher toxischer Effekte auf aquatische Ökosysteme eine Herausforderung für die Abwasserbehandlung dar. Die Ozonung von Kläranlagenabläufen wurde technisch bereits realisiert, steht aber vor der Herausforderung, dass möglicherweise toxischere Transformationsprodukte (TPs) als die Ausgangsstoffe entstehen, die eine Nachbehandlung erfordern. Enzyme, speziell die Enzymklasse der Oxidoreduktasen, sind in der Lage, unter milden Bedingungen oxidative Abbaureaktionen zu katalysieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Kopplung der Ozonung mit einer enzymatischen Nachbehandlung der potenziell toxischen TPs durch Laccasen, einschließlich einer mechanistischen Untersuchung und der Umsetzung dieses Verfahrens bis in den halbtechnischen Maßstab.
Zunächst wurden die Pharmazeutika Paracetamol und Diclofenac als Modellsubstanzen mit Ozon behandelt. Die nachfolgende enzymatische Behandlung der TPs mit Laccase aus Trametes versicolor wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit hochauflösender Massen-spektrometrie (HPLC-HRMS) analysiert. Für Paracetamol konnte gezeigt werden, dass die Laccase aus T. versicolor in der Lage ist, die Haupttransformationsprodukte effektiv abzubauen. Des Weiteren konnten ökotoxikologische Untersuchungen mit Aliivibrio fischeri nach enzymatischer Behandlung nachweisen, dass die akute Toxizität des ozonten Modellabwassers reduziert werden konnte. Dabei zeigte sich, dass die Reduktion der Toxizität bei pH 7 effektiver war als im sauren pH-Bereich, was dem pH-Optimum der Laccasen entspricht. Dies wurde auf die Produktbildung der Laccase-induzierten Radikale zurückgeführt, die im sauren und neutralen pH-Bereich unterschiedliche chemische Reaktionswege aufweisen. Im Rahmen einer mechanistischen Untersuchung der Ozonungsprodukte von Diclofenac konnte nachgewiesen werden, dass 12 der 14 detektierten TPs durch Laccase aus T. versicolor effektiv abgebaut werden konnten. Somit zeigte sich, dass das Substratspektrum der Laccase mit dem Produktspektrum der Ozonung über-einstimmt, so dass eine Nachbehandlung ozonter Prozesse mittels Laccasen eine effektive Behandlungsstrategie darstellt. Dennoch konnten signifikante Variationen in der Abbaukinetik und -effizienz beobachtet werden. Diese Variationen ließen sich nicht dem enzymatischen Schritt zuordnen, sondern sind auf eine chemische Nachreaktion zurückzuführen, bei der chinoide Produkte bzw. Oligomere gebildet wurden. Für die Entwicklung eines kontinuierlichen textilen enzymatischen Filters mittels immobilisierter Laccase wurden ein Plattenmodul (PM), in dem der biokatalytische Filter überströmt wird, und ein Wickelmodul (WM), in dem der biokatalytische Filter durchströmt wird, für den Abbau des Anthrachinonfarbstoffes Remazol Brilliant Blue (RBB), Diclofenac und ozonter Diclofenac-Lösung entwickelt. Dabei konnten längere Filterstandzeiten für das PM erzielt werden. Darüber hinaus zeigte die Behandlung der ozonten Diclofenac-Lösung im PM mit dem biokatalytischen Filter im Labormaßstab, dass dieses Verfahren nicht nur technisch umsetzbar ist, sondern auch einige TPs besser abgebaut wurden als unter diskontinuierlichen Bedingungen. Schließlich konnte auf der halbtechnischen Kläranlage Neuss (HtK-Neuss) gezeigt werden, dass der enzymatische Filter die Modellsubstanzen Diclofenac, Carbamazepin und Metoprolol unter umweltrelevanten Bedingungen und Konzentrationen im ng/L- bis μg/L-Bereich vollständig entfernen konnte.
The continuous input of trace substances into the aquatic environment, especially from con-ventional wastewater treatment plants, poses a challenge for wastewater treatment due to potential toxic effects on aquatic ecosystems. The ozonation of wastewater treatment plant effluents has already been technically realised but faces the challenge that potentially more toxic transformation products (TPs) than the starting materials are produced, which require post-treatment. Enzymes, especially the enzyme class of oxidoreductases, are capable of catalysing oxidative degradation reactions under mild conditions. The aim of this work was to couple ozonation with enzymatic post-treatment of the potentially toxic TPs by laccases and the associated mechanistic investigation and implementation of this process on a semi-industrial scale.
The pharmaceuticals acetaminophen and diclofenac were treated with ozone as model substances. The subsequent enzymatic treatment of the transformation products with laccase from Trametes versicolor was analysed using high-performance liquid chromatography coupled with high-resolution mass spectrometry (HPLC-HRMS). For acetaminophen it could be shown that the laccase from T. versicolor is able to effectively degrade the main TPs. Furthermore, ecotoxicological studies with Aliivibrio fischeri after enzymatic treatment showed that the acute toxicity of the ozonated model wastewater could be reduced. It was shown that the reduction in toxicity was more effective at pH 7 than in the acidic pH optimum of the laccases. This was attributed to different chemical reaction pathways in the acidic and neutral pH range of the laccase-induced radicals. A mechanistic investigation of the ozonation products of diclofenac showed that 12 of the 14 detected TPs could be effectively degraded by laccase from T. versicolor. This showed that the substrate spectrum of laccase corresponds to the product spectrum of ozonation, indicating that post-treatment of ozonated processes with laccases is an effective treatment strategy. However, significant variations in degradation kinetics and efficiency were observed. These variations could not be attributed to the enzymatic step but were assigned to a chemical post-reaction in which quinoid products or oligomers are formed alternatively. For the development of a continuous textile enzymatic filter using immobilised laccase, a plate module (PM), in which the biocatalytic filter is flowed over, and a wound module (WM), in which the biocatalytic filter is flowed through, were developed for the degradation of the anthraquinone dye Remazol Brilliant Blue (RBB), diclofenac and ozonated diclofenac solution. Longer filter lifetimes were achieved for the PM. In addition, the treatment of the ozonated diclofenac solution in the PM with the biocatalytic filter on a laboratory scale showed that this process was not only technically feasible, but that some transformation products were also better degraded than under discontinuous conditions. Finally, at the semi-industrial wastewater treatment plant in Neuss (HtK-Neuss), it was shown that the enzymatic filter was able to completely remove the model substances diclofenac, carbamazepine and metoprolol under envi-ronmentally relevant conditions and at concentrations in the ng/L to μg/L range.