DD253045A1

DD253045A1 - Verfahren zur sofortbestimmung des "biochemischen sauerstoffbedarfs (bsb)

Info

Publication number: DD253045A1
Application number: DD29343586A
Authority: DD
Inventors: Klaus Riedel; Reinhard Renneberg; Manfred Kuehn; Peter Liebs; Edita Ritter; Frieder Scheller; Klaus-Peter Lange; Peter Ott
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-08-05
Filing date: 1986-08-05
Publication date: 1988-01-06
Also published as: DD253045B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des "Biochemischen Sauerstoffverbrauchs" (BSB) von Abwassern mittels mikrobiologischer Sensoren. Sie hat das Ziel, eine sehr schnelle Erfassung aller organischen, durch Mikroorganismen assimilierbare Substanzen zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird dies durch eine Anpassung der fuer den Sensor benutzten Mikroorganismen an das jeweilige Abwasser oder Fermentationsloesung und durch die Messung der Beschleunigung der Respirationsrate nach Dosierung von Abwasserproben bzw. Fermentationsloesung als Stromstaerkeaenderung pro Zeiteinheit erreicht. Anwendungsgebiet ist die Kontrolle und Steuerung biotechnologischer Prozesse, insbesondere der Abwasserbehandlung, Fermentation und des Umweltschutzes.

Description

Der Vorteil des Verfahrens besteht.darin, daß für die zu untersuchenden Medien ohne Verdünnung oder andere Aufschlüsse sofort eine für die Steuerung von Bioreaktoren oder die Verhinderung von Schadwirkungen bei Havarien notwendige Bestimmung aller von Mikroorganismen assimilierbaren organischen Bestandteile, die Kinetik deren Abbaus und/oder die Beschleunigung oder Verzögerung von Beimischungen auf die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen sowie gleichzeitig der qualitative Nachweis des Gehaltes an spezifischen organischen Substanzen möglich wird. Neben der optimalen Einflußnähme auf die Stoffwechselprozesse bei Bioreaktoren wird eine Verringerung des Energieaufwandes durch Steuerung der Sauerstoffzufuhr z. B. in Belebungsbecken von Kläranlagen erreicht

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen erläutert:

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Zur BSB-Bestimmung stärkehaltiger Abwasser werden B.subtilis-Zellen eingesetzt, die in einem stärkehaltigen Medium kultiviert werden (200 ml stärkehaltiges Abwasser, 5g Casamino acids, 5g Ammoniumchlorid ad 11 0,15 M Phosphatpuffer pH 6,0). Die Zellen werden nach 18-20stündiger Kultivierung auf Rotationsschüttlern bei 3O⁰C zu Beginn der stationären Phase geerntet, abzentrifugiert und im Phosphatpuffer pH 6,8 resuspendiert. 500 μΙ dieser 10 mg Trockengewicht enthaltenden Suspension werden mit 500μΙ einer 10%igen Polyvinylalkohollösung gemischt und zu einer Fläche ausgestrichen. Nach Immobilisierung bei 4⁰C wird ein Stück Folie (2 χ 2 mm²) auf die Polyäthylenmembran einer Sauerstoffelektrode plaziert und durch eine Dialysemembran meßseitig abgeschlossen. In einer gerührten, bei 3O⁰C temperierten Meßzelle mit 2,5 ml 0,1 mol. Phosphatpuffer pH 6,8 werden die zu untersuchenden Proben gegeben. Mittels eines Meßverstärkers wird bei -60OmV die Änderung der Stromstärke pro Zeiteinheit nach Dosierung der Probe gemessen. Diese Änderungsgeschwindigkeit wird nach Eichung des Sensors mit einer Glukose- (150 mg/l)-Glutaminsäure-Lösung (150mg/l) als Maß für den BSB genutzt. Ein 2. Sensor wurde entsprechend obiger Beschreibung präpariert, aber mit B.subtilis-Zellen, die in einem Glukose enthaltenden Medium kultiviert wurden (gleiches Medium wie oben, aber anstelle des Stärkeabwassers mit 20g Glukose). Dieser Sensor wurde direkt und nach einer 2tägigen Inkubation mit dem o. g. stärkehaltigen Medium in der Meßzelle zur BSB-Bestimmung genutzt.

In Tabelle 1 sind die mit den beschriebenen Sensorvarianten ermittelten BSB-Werte von stärkehaltigem Abwasser im Vergleich zum konventionellen BSB₅-TeSt zusammengestellt:

Tabelle 1

Bestimmung des BSB (mg/l) stärkehaltiger Abwasser mit B.subtilis-Sensoren

Abwasserprobe	BSB₅ mg/l	Stärke-An zucht	BSB-Sensor	Glukose-An zucht+ Inku bation mit Stärke
		5 500 6200	Glukose- Anzucht	5400 6000
Probe 1 Probe 2	5300 6100	2 500 2 800

Beispiel 2

Zur Bestimmung des BSB von alkoholhaltigen Abwässern werden Sensoren mit Candida boidinii, die kultiviert wurden im folgenden Medium: Pepton 0,5%, Hefeextrakt 0,5% und Glukose 1 % genutzt.

Die Immobilisierung der Hefen und die Präparation der Sensoren sowie die Meßprocedure entsprechen der im Beispiel 1 beschriebenen Art und Weise.

Tabelle 2 gibt die mit den verschiedenen Sensortypen ermittelten BSB-Werte der untersuchten alkoholhaltigen Abwasserproben wieder.

Tabelle 2

Bestimmung des BSB (mg/l) alkoholhaltiger Abwasser mit Candida-boidinii-Sensoren

Abwasserprobe	BSB₅	Alkohol-An zucht	BSB-Sensor	Glukose-An zucht+ Inku bation mit Al kohol
		9750 8800	Glukose-An zucht	9300 8 500
1 2	9800 8 600	500 450

Beispiel 3

Trichosporon culaneum-Zellen werden 36 h in einem Peptonmedium (Pepton 0,5%, Malzextrakt 0,5%, Hefeextrakt 0,5%, Glukose 1 %) kultiviert. Die Immobilisierung und die Präparation der Sensoren werden, wie im Beispiel 1 beschrieben, vorgenommen. Zur BSB-Bestimmung verschiedener Abwasser werden folgende, durch Vorinkubation modifizierte Trichosporon culaneum-Sensoren eingesetzt:

• unbehandelt;

• 24h mit stärkehaltigem Abwasser in der Meßzelle inkubiert;

• 24h mit alkoholhaltigem Abwasser in der Meßzelle inkubiert.

Tabelle 3 demonstriert die mit den modifizierten BSB-Sensoren ermittelten BSB-Werte.

Tabelle 3

Bestimmung des BSB (mg/l) verschiedener Abwasser mit unterschiedlich vorbehandelten Trichosporon-culaneum-Sensoren

Abwasser	BSB₆	unbehandelt	Trichosporon-culaneum-Sensor	500 8500
		770 470	Vorbehandlung mit Vorbehandlung stärkehaltigem mitalkoholhal- Abwasser tigern Abwasser
stärkehaltiges Abwasser alkoholhaltiges Abwasser	6100 8600	6200 500

Beispiel 4

Der im Beispiel 1 beschriebene Sensor mit B. subtilis wird zur Untersuchung toxischer Abwasser genutzt. Hierzu wurden Modellsysteme eingesetzt, in denen zu einer Glukose-Glutaminsäuremischung (150 mg Glukose und 150mg Glutaminsäure pro I), die international als BSB-Standard Verwendung findet, Dinitrophenol bzw. Chlormercuribenzoat addiert wurde, wonach die Verminderung der Beschleunigung der Respiration im Vergleich zur Kontrolle erfaßt wurde. Der Hemmeffekt der gewählten Inhibitoren ist aus Tabelle 4 ersichtlich.

Tabelle 4

Untersuchung der toxischen Wirkung von Abwassern am Beispiel eines Modellsystems

BSB (mg/l) Hemmung (%)

Glukose-Glutaminsäure-Mischung (Kontrolle) toxisches Abwasser (Glukose-Glutaminsäure-Mischung+ Dinitrophenol (0,05 mM) 270 toxisches Abwasser (Glukose-Glutaminsäure-Mischung + Chlormercuribenzoat 0,1 mM 200 64 . _

Claims

Erfindungsanspruch:

Verfahren zur Sofortbestimmung des „Biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB)" von komplex zusammengesetzten Medien mittels mikrobiologischer Sensoren durch Messung der Stromänderung pro Zeiteinheit, gekennzeichnet dadurch, daß die für den Sensor benutzten Mikroorganismen durch einmalige Inkubation des gesamten Sensors in dem zu untersuchenden Medium adaptiert werden, dieser für wiederholte Bestimmung des Wertes der ersten Ableitung der Funktion der Respirationskurve durch die Messung der Beschleunigung der Respirationsrate als Stromänderung pro Zeiteinheit in einem Zeitraum von weniger als 2 min nach Dosierung des zu untersuchenden Mediums eingesetzt und der vollständige BSB-Wert und/oder gleichzeitig der qualitative Nachweis des Gehaltes an spezifischen organischen Substraten und/oder die Hemmwirkung von Beimischungen auf die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen durch Vergleich mit Eichkurven ermittelt werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kurzzeitbestimmung des BSB und der Respirationsrate von Mikroorganismen, zur Bestimmung der Summenkonzentration biologisch abbaubarer organischer Substanzen sowie zur Ermittlung des Gehaltes von spezifischen organischen Inhaltsstoffen von Stoffgemischen in wäßriger Phase und zur Ermittlung der Hemmwirkung von Beimischungen auf die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen. Anwendungsgebiet ist die Kontrolle und Steuerung biotechnologischer Prozesse, insbesondere der Abwasserbehandlung, Fermentation und des Umweltschutzes.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der „Biochemische Sauerstoffbedarf" (BSB; engl. BOD = biochemical oxygen demand) ist einer der meist benutzten Teste zur Kontrolle der Abwasserqualität und gibt die für den Abbau organischen Materials durch Mikroorganismen verbrauchte Sauerstoffmenge an.

Der konventionelle Test benötigt einen Zeitaufwand von 5 Tagen (BSB₅) und ist damit für eine Kontrolle und Steuerung von Abwasserreinigungsprozessen nicht geeignet. Der Einsatz von Biosensoren, die eine Kombination von fixierten Mikroorganismen mit einer Sauerstoffelektrode darstellen, brachte einen wesentlichen Fortschritt in der BSB-Bestimmung (GB 1586291). Die Bestimmungszeit liegt zwischen 5-20 min.

Geeignet für einen mikrobiologischen BSB-Sensor sind alle Mikroorganismen, die organisches Material unter Sauerstoffverbrauch abbauen. Die für den BSB-Sensor ausgewählten Mikroorganismen werden in der üblichen Weise kultiviert und nach Immobilisierung zur Präparation des Sensors eingesetzt.

Die Wirksamkeit und Genauigkeit des Sensors hängt von der Potenz der eingesetzten Mikroorganismen ab, die im Abwasser vorhandenen organischen Verbindungen oxydativ abzubauen. Im Allgemeinen nutzen aber Mikroorganismen nur die Substrate, die sie unbedingt zur Aufrechterhaltung des Metabolismus benötigen. Die Voraussetzungen hierfür werden in der Anzucht der Zellen gelegt. Die bisher entwickelten mikrobiologischen Sensoren zur BSB-Bestimmung berücksichtigen diesen Aspekt nicht, d. h. es werden die für den Sensor eingesetzten Mikroorganismen in Grundmedien, die Peptone, Glukose und einige Salze enthalten, angezogen. Die mit diesen Mikroorganismen präparierten Sensoren reagieren im wesentlichen nur auf die während der Anzucht vorhandenen Substrate. Andere werden nicht oder kaum angezeigt, da die entsprechenden Transport- und Abbausysteme fehlen. Es können also nicht alle im Abwasser enthaltenen organischen Substrate erfaßt werden. Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit des BSB-Sensors ist aber die Erfassung aller organischen Bestandteile des Abwassers, die biologisch abgebaut werden können.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, biotechnologische Prozesse durch kurzfristige Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs und der Respirationsrate von Mikroorganismen effektiver zu gestalten, Elektroenergie zum Sauerstoffeintrag einzusparen und die Wirkung toxischer Stoffe in Havariefällen zu begrenzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mittels eines mikrobiologischen Sensors den vollständigen biochemischen Sauerstoffbedarf für unterschiedliche, komplex zusammengesetzte wäßrige Medien, wie z. B. verschiedene Abwässer oder Fermentationslösungen, in einer Zeitspanne von weniger als 2 min durch die Messung der Beschleunigung der Respirationsrate zu bestimmen, den qualitativen Nachweis des Gehaltes an spezifischen organischen Substraten zu ermöglichen sowie die Hemmwirkung von Beimischungen auf die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein mikrobiologischer Sensor mit dem jeweils zu bestimmenden Medium 1-2 Tage inkubiert wird. Die damit erreichte Adaption der Mikroorganismen führt dazu, daß die für die Aufnahme der organischen Bestandteile des wäßrigen Mediums notwendigen Transportsysteme und die für den oxydativen Abbau der zu untersuchenden Substrate benötigten Enzymgarnituren optimal ausgeprägt werden. In Verbindung mit einer schonenden Immobilisierung der Mikroorganismen wird dadurch die Voraussetzung für eine hohe Reaktivität des mikrobiologischen Sensors für das adaptierte Medium geschaffen, wodurch es möglich wird, diesen für wiederholte Bestimmung des Wertes der ersten Ableitung der Funktion der Respirationskurve durch die Messung der Beschleunigung der Respirationsrate nach Dosierung des zu bestimmenden Mediums als Stromänderung pro Zeiteinheit anzuwenden und damit sofort eine Meßgröße für den vollständigen BSB zu erhalten und/oder gleichzeitig durch Vergleich mit Eichkurven den qualitativen Nachweis des Gehaltes an spezifischen organischen Substraten und/oder die Hemmwirkung von Beimischungen auf die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen zu ermitteln.