NO854433L - Naeringsmiddel for stimulering av aerobe bakterier. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er en næringsblanding som er

egnet for å stimulere veksten av aerobe bakterier og en fremgangsmåte som anvender blandingen for å stimulere veksten av aerobe bakterier.

Nitrogen og fosfor er kjent for å være to vesentlige ele-menter for veksten av alt levende materiale innbefattet bakterier. Det er ofte nødvendig å tilføre både nitrogen og fosfor og leilighetsvis andre næringsmidler og mikronæringsmidler for å stimulere veksten av bakterier. Inntil nylig ble alt supple-menterende fosfor tilført som et næringsmiddel for å stimulere veksten av bakterier i form av ortofosfatrester fordi ortofosfat-anionet er kjent for å være mindre enn anionet av et kondensert fosfat og vil således diffudere raskere inn i bakteriene.

Internasjonal patentsøknad nr. WO 83/02952 beskriver at

det uorganiske pyrofosfation kan stimulere veksten av noen anaerobe bakterier ved å tilføre energi for biologisk oksydasjon gjennom trinnene:

1. Acetat + pyrofosfat acetylfosfat + fosfat, og

2. Adenosin-difosfat + acetylfosfat acetat + adenosin-trifosfat.

Således oksyderer pyrofosfatio.net adenosin-dif osf at (ADP) til adenosin-tripolyfosfat (ATP) i en anaerob bakterie.

Det er velkjent at ATP er den primære bærer for kjemisk energi i biologiske prosesser idet den i prosessen taper enten en eller to fosfatgrupper under dannelse av ADP og et ortofosfation, eller adenosinmonofosfat og et pyrofosfation. Det er ikke tidligere beskrevet noen fordel ved å tilføre fosfor til aerobe bakterier som et kondensert fosfat såsom et pyrofosfat eller et tripolyfosfat.

Ifølge Busch, Aerobic Biological Treatment of Waste Waters, Oligodynamics Press, Houston (1971), side 107, er bare nitrogen og fosfor kritiske vekstbegrensende næringsmidler som er nødven-dig å tilsette jevnt til aerobt oksyderte avfallsstoffer og tilsettes generelt i forholdet 5 deler nitrogen pr .del fosfor.Deter derfor en fordel ved denne oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret nitrogen-fosfor næringssupplement for å stimulere veksten av aerobo bakterier og en forbedret fremgangsmåte for bruk av dette for et slikt formål.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes én forbedret næringsblanding som kan tilføres aerobe bakterier hvori nitrogen og fosfor foreligger i forholdet ikke mindre enn 0,8 vektdeler totalt nitrogen pr. vektdel totalt fosfor og som inneholder tilstrekkelig fosfor som en kortkjedet kondensert fosfatrest valgt fra gruppen pyrofosfatrest og tripolyfosfatrest, hvorved fra 5 til 65 vekt% av den kombinerte ortofosfatrest og den kondenserte fosfatrest i blandingen foreligger som kondensert fosfatrest.

Som beskrevet av Busch ovenfor er, når forholdet av nitrogen til fosfor på 5:1 er tilgjengelig for bakterier,ingen av næringsmidlene alene det vekstbegrensende næringsmiddel. Det er funnet at et forhold av totalt nitrogen til totalt fosfor så lavt som 0,8:1 er egnet til å stimulere veksten av bakterier, selv om nitrogen da er et begrensende næringsmiddel. Forhold på 10:1 eller høyere har tidligere vært brukt, og er også egnet for å stimulere veksten av bakterier ifølge foreliggende oppfinnelse, men gir ikke noen fordel fremfor forhold fra 0,8:1 til 5:1.

For maksimal stimulering er det kritisk at blandingen inneholder det kondenserte fosfat som en tripolyfosfatrest.

Det er også kritisk for maksimum stimulering av aerobe bakterier at de kortkjedede kondenserte fosfater foreligger i området fra 25% til 45vekt% av den kombinerte ortofosfatrest og kondensert fosfatrest.

Næringsblandingen kan inneholde andre vanlige næringsmidler og mikronæringsmidler som er kjent av fagmannen å være nødvendig for aerobe bakterier.

Det er fullstendig uventet å finne at tripolyfosfationet kan utnyttes av bakterier. Det er velkjent at natriumtripoly-fosfat (STPP) brukes i store mengder som et detergent element. Imidlertid finnes tripolyfosfationet fra denne kilde sjelden, om overhodet, i miljøet. Dette skyldes at enzymet fosfatase, som alltid foreligger i avløpssystemer og septiktanker, raskt hydrolyserer tripolyfosfati<p>ner til ortofosfation. Fordi tripolyfosf ationer raskt oksyderes, er det uventet at de aerobe bakterier kunne tilpasses til å utnytte tripolyfosfationet.

I tillegg vil det normalt ventes at pyrofosfat og tripolyfosfat-ionenes store størrelse ville redusere diffusjonshastigheten av fosfor gjennom membranene til bakteriene og således føre til en reduksjon av bakterienes veksthastighet. Således vil det forventes at stimuleringsgraden av bakterievekst villé avta med økende kjedelengde av et kondensert fosfat.

Det ble funnet at veksthastigheten til aerobe bakterier generelt avtar som en funksjon av fosfatkjedelengde. Den relative veksthastigheten til bakterier som anvender et pyrofosfat (kjedelengde på 2). som fosforkilde er 50% av veksthastigheten til bakterier som anvender ortofosfat (kjedelengde 1).

På den annen side er veksthastigheten til bakterier som anvender et tripolyfosfat (kjedelengde på 3) 85% av veksthastigheten til bakterier som anvender et ortofosfat.

Det ble uventet funnet at bakterier som utnytter en kombinasjon av enten tripolyfosfat eller pyrofosfationer og ortofosfat som fosforkilde, hadde en veksthastighet større en bakterier som anvender et ortofosfation alene. Det foreligger for tiden ingen forklaring på denne synergistiske virkning som tilveiebringes med et pyrofosfat eller et tripolyfosfation i kombinasjon med et ortofosfation på veksthastigheten til aerobe bakterier.

Omfanget av foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset

til fremstillingen av næringsmedium for veksten av aerobe bakterier, men også fremstillingen av et konsentrert næringsaddivit for å supplementere næringsmidlene som allerede er i et bakterievekst-medium og fremgangsmåten ved å dyrke bakterier i et vekstmedium som inneholder enten pyrofosfat-eller tripolyfosfation og ortofosfationet i de relative forhold fra 5 til 65 vekt% fosfor som kondensert pyrofosfat eller tripolyfosfation og fra 95 til 35 vekt% fosfor som ortofosfation. Fortrinnsvis ligger tripolyfosf at i området fra 25 til 45 vekt% fosfor.

Opprettholdelsen av aerobe betingelser er kritisk for stimu-leringen av aerob oksydasjon med bakterier. Diffusjon av oppløst oksygen i en stor biomasse er vanskelig ifølge Busch, Aerobic Biological Treatment of Waste Waters, side 31. Derfor foretrek-kes det å tilføre oksygen til bakteriene ved å innføre fra 0,1 mg/l til 1000 mg/l hydrogenperoksyd i vekstmediet.

Foreliggende oppfinnelse er spesielt anvendelig for å stimulere aerobe bakterier i tekniske fermenteringssystemer og i miljøer hvor tripolyfosfation ikke naturlig er tilstede. Det ligger innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse å tilsette et kortkjedet kondensert fosfat såsom et pyrofosfat eller et tripolyfosfat enten alene eller med tilstrekkelig ortofosfat til å justere forholdet av det kortkjedede kondenserte fosfat til ortofosfatet til innenfor området som kreves i foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse er spesielt egnet for stimulerin-gen av bakterier for å oksydere kontaminanter, spesielt i en underjordisk formasjon. Ettersom både et pyrofosfat-og et tripolyfosf ation har evnen til å utfelle mange metaller, og et ortofosfation har evnen til å utfelle mange metaller, kan det være ønskelig å innføre det kortkjedede kondenserte fosfation og ortofosfationet i mediet separat og derved modifisere mediets sammensetning.

Den kortkjedede kondenserte fosfatrest og ortofosfatresten kan innføres i løsningen i alle vandige former såsom et fast salt, en syre eller som en løsning. Det er normalt lett å innføre ionene i form av et syresalt av et metallion eller som et ammionsalt. En fagmann vil lett se at det er ønskelig å innføre næringsstoffene ikke bare i den letteste, men også mest økonomiske form.

De følgende eksempler fremlegges for å illustrere den beste utførelsesform av foreliggende oppfinnelse for en fagmann og ikke begrense omfanget av oppfinnelsen.

I det følgende eksempel ble vann erholdt fra et bensintaps-område dyrket ved ytterligere tilsetning av ca. 0,01 g/l fosfat, 0,01 g/l ammoniumklorid (et N:P forhold på 0,8) og 0,5 g/l bensin. Ca. 1500 ml ble filtrert gjennom glassull, og 50 ml av filtratet satt til 950 ml tranghalsede glasskolber. Nærings-konsentratet ble deretter tilsatt etterfulgt av en dråpe bensin til hver kolbe. Kolbene ble dekket ved bruk av aluminiumsfolie-foringer. En dråpe bensin ble tilsatt hver annen dag gjennom forsøksperioden. Ved slutten av forsøksperioden ble 1 ml 35% HC1 tilsatt for å oppløse alle utfelte metaller. Prøvene ble sentrifugert, filtrert, tørket og den faste masse veiet. Celle-massen ble brukt som determinant for bakterievekst.

Eksempel 1

Næringskulturer ble fremstilt ved å bruke blandinger av et pyrofosfat og et ortofosfat ved bruk av ovennevnte fremgangsmåte. Tabell I viser at pyrofosfat når det brukes med ortofosfater, stimulerer veksten av medfødt hydrokarbonforbrukende bakterier. Med disse bakterier førte bruk av ca. 1-75% av det totale fosfor som pyrofosfat til en øket veksthastighet. Ved bruk av pyrofosfat imidlertid som eneste fosforkilde eller ved tilførsel av mer enn 90% fosfor, er dette mindre effektivt enn ortofosfat. Disse resultater viser (1)

at pyrofosfat er mindre effektivt enn ortofosfat som eneste fosforkilde, og (2) at fosfatkombinasjonen virker synergistisk.

Eksempel 2

Fosfater med kjedelengder varierende fra 1 til 21 ble bedømt i ovennevnte fremgangsmåte. Resultatene er fremlagt som fig. 1 og tabell 2. Tabell 3 som er hydrolysehastigheten av typisk kondensert fosfat ved 100°C ved anvendelse av destil-lert vann, er fra FMC Corporation<1>s Technical Data Bulletin 810-B. En sammenligning av tabell 2 og tabell 3 gjør det klart at variasjonen av celleveksthastighet ikke avhenger av hydrolysehastigheten til detkondenserte fosfatet til ortofosfat.

Eksempel 3.

Den synergistiske virkning av et tripolyfosfat og et ortofosfat ble demonstrert ved bruk av ovennevnte fremgangsmåte og bruk av varierende mengder av et tripolyfosfat og tilstrekkelig ortofosfat til å opprettholde et konstant fosforinnhold i mediet. Resultatene er presentert i tabell 4. Cellevekst-hastigheten ble normalisert med en intern standard av ortofosfat. Alle verdier er gjennomsnittsverdier av duplikatet.

Den teoretiske cellevekst ble beregnet basert på sammenhengen (% tripoly) x ( 0, 83) + (% orto) x 1, 0

100

Fra tabell 4 er det klart at en synergistisk virkning opp-trer når polyfosfatet varierer mellom 5% og 45% av det kombinerte tripolyfosfatet og ortofosfat i næringen, og er spesielt tydelig i området mellom 25% og 45%.

Eksempel 4

Både pyrofosfationer og tripolyfosfationer har evne til

å utfylle eller kompleksere mange metallkationer, mens ortofos-fationer har evne til å utfelle mange av metallkationene som er spesielt ønskelige som næringsmidler eller mikronæringsmidler. Næringsblandingene i foreliggende oppfinnelse er vist å være bedre enn tidligere kjente blandinger som inneholder bare ortofosfater som fosforkilde og utvalgte mikronæringsmidler.

Næringsløsninger ble fremstilt som inneholdt 100 g/l ammoniumklorid og 100 g/l av et ortofosfat eller et kortkjedet kondensert fosfat som vist i tabell 5 (et N:P forhold på 0,8). Til disse løsninger ble de følgende mikronæringsmidler tilsatt

i rekkefølge: 4 ml av en 1% løsning av MgSO^.P^O, 2 ml av en 0,1% løsning av MnSO^.i^O, 0,1% av en 1% løsning av CaCl2og 6 ml av en 0,65% FeS04.7H20. Resultatene er angitt i tabell 5.

Fra eksempel 4 kan man se at både pyrofosfationene og tripolyfosfat alene eller i kombinasjon er bedre enn de tidligere kjente blandinger ved forhindring av utfelling av mikronæringsmidler.

Eksempel 5

Et område 70'x 100 meter kontamineres med en blanding av industrielle løsningsmidler satt sammen av benzen, toluen og xylen (BTX) . Kontaminanten befinner seg i både en 0,3 m mettet sone og en 0,6 m umettet sone. Gjennomsnittlig jordkontamina-sjon er ca. 5000 ppm og grunnvannet viser et totalt BTX-nivå

på 80 ppm. Formasjonen er en grov sand og grus som kan motstå strømning på 4 00 l/min, og dybde til vann er 7 meter.

Området fremstilles ved å grave et injeksjonsgalleri be-stående av en grøft 50 m x 1 m x 1,2. m. Injeksjonsgalleriet befinner seg ved søleområdet loddrett på og opp gradient fra den naturlige grunnvannsstrøm til en gjenvinningsbrønn. Et 10 cm perforert rør plasseres i bunnen av galleriet på toppen av et 0,3 meters sjikt av grovt fjell og dekkes med ytterligere grovt fjell. Nedenfor ved kanten av jordkontaminasjonen inn-stalleres en gjenvinningsbrønn avskjermet til en dybde på 3 m under vannivået. Gjenvinningsbrønnen er plombert slik at grunnvannet kan tilbakeføres til injeksjonsgalleriet.

Grunnvann og kjerneprøve tatt fra det kontaminerte området analyseres med hensyn til forenelighet med behandlingsvæskene, og en identifikasjon av medfødte hydrokarbonnedbrytende mikro-organismer av slektene Pseudomonas, Arthobacter, Norcardia og Actinobacter. De hydrokarbonforbrukende bakterier ble' funnet å være en blandet kultur med et populasjonsnivå o på o 10 2 - 10<3>kolonier/gram jord. Vekststudier utføres med grunnvannsprøver fra området med 0,2% løsning av et næringsmiddel inneholdende ammoniumklorid, ortofosfat og natrium tripolyfosfat. Vekt-forholdet av totalt:.nitrogen til totalt fosfor i mikrobielle næringsmedium er 2:1 og det mikrobielle næringsmedium inneholder 35% av det totale fosfor som tripolyfosfat og resten som ortofosfat. Spormetaller såsom jern, magnesium, mangan og kalsium settes til prøver. Gjennom dette studium bestemmes at optimumsvekt kan oppnås ved å tilsette 0,5 mg/l jern i tillegg til det mikrobielle næringsmiddel.

Området prepareres ved å tilsette påfølgende ]200 1 satser av 20% løsning av den mikrobielle næringsmiddelblanding inntil ammonium og totalifosforkonsentrasjon i form av fosfat i det resirkulerte grunnvann når 200-500 mg/l. Pumpe/injeksjonshas-tigheter balanseres på 200 l/min. Såsnart et 200-500 mg/l konsentrasjonområde er oppnådd fortsetter sirkulasjonen i 2 uker med kontinuerlig tilsetning av det mikrobielle næringsmiddel for å opprettholde det nødvendige nivå av ammonium og totale fosfationer. Analyse av grunnvannet viser at mengden 4 5 av hydrokarbonforbrukende bakterier har øket til 10 til 10 kolonier pr. ml.

Etter denne perioden tilsettes en hydrogenperoksydløsning såsom "Restore" 105 mikrobielt næringsmiddel (en vandig løsning av hydrogenperoksyd fremstilt av FMC Corporation) til grunnvannet oppstrøms for injeksjonsgalleriet. Begynnelseskonsentra-sjonen av tilsetningen er 10-100 mg/l hydrogenperoksyd og fortsettes inntil bakterietellingen når 10 5 til 10 6 kolonier/ml i det resirkulerte grunnvann. Hydrogenperoksydet økes i trinn på 100 til 200 mg/l/uke inntil et nivå på 500 mg/l eller større er nådd. Den øvre grense for hydrogenperoksydkonsentrasjonen er definert ved det punkt ved hvilket bakterietellinger avtar signifikant og er generelt mindre enn 10.000 ppm eller 0,1%. Injeksjonen av det mikrobielle næringsmiddel, jernløsning og "Restore" 105 mikrobielt næringsmiddel (hydrogenperoksyd) fort settes for å opprettholde optimal vekst.

Tilsetningen av næringsmidler og hydrogenperoksyd fortsettes inntil analysen av området viser at 90-95% av jordkontaminasjonen er blitt nedbrutt av bakteriene. På dette punkt reduseres konsentrasjonene av ammonium og totale fosforioner til 50-100 mg/l, og hydrogenperoksydkonsentrasjonen fortsettes ved 500 mg/l eller høyere for å muliggjøre det bakterielle for-bruk av absorberte næringsmidler. Når jordkonsentrasjonsnivået er redusert til under 98% av det opprinnelige, avbrytes nærings-middelinjeksjonen og hydrogenperoksydkonsentrasjonen reduseres til 100 mg/l. Injeksjonen av grunnvann og peroksyd fortsettes i en måned til. Til slutt stoppes hydrogenperoksydinnføringen, men grunnvannsinjeksjonen fortsettes inntil ammonium- og fosfat-restkonsentrasjoner når fastlagte krav.

("Sodaphos", "Hexaphos" og "Glass" er registrerte vare-merker fra FMC Corporation for natriumpolyfosfater med kjedelengder på henholdsvis 6, 13 og 21).

Claims (8)

1. Næringsblanding som er egnet for å stimulere veksten til aerobe bakterier hvori det totale nitrogen og totale fosfor foreligger i området fra 0,8 til 8 vektdeler totalt nitrogen pr. vektdel totalt fosfor,karakterisert vedat det er inntatt en tripolyfosfatforbindelse i blandingen slik at fra 5 til 65 vekt% av ortofosfatresten og tripolyfosfatresten tilsammen i blandingen foreligger som tripolyfosf atrest .

2. Næringsblanding ifølge krav 1, karakterisert vedat fra 25 til 45 vekt% av ortofosfatresten og tripolyfosfatresten tilsammen i blandingen foreligger som tripolyfosfatrest.

3. Fremgangsmåte for å stimulere veksten til aerobe bakterier ved å tilføre en næringsblanding inneholdende fra 0,8 til 8 vektdeler av det totale nitrogen pr. vektdel totalt fosfor,karakterisert vedat man innfører tilstrekkelig fosfor som en kondensert fosforrest valgt fra gruppen en pyrofosfatrest og en tripolyfosfatrest, hvorved fra 5 til 65 vekt% av ortofosfatresten og den kondenserte fosfatrest tilsammen " i blandingen foreligger som kondensert fosfatrest.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisertved at man stimulerer aerob bakterievekst i en underjordisk formasjon for å biologisk oksydere en kontaminant i en underjordisk formasjon ved å tilføre en næringsblanding inneholdende fra 0,8 til 8 vektdeler av totalt nitrogen pr. vektdel totalt fosfor ved å innføre tilstrekkelig fosfor som en kondensert fosforrest valgt fra gruppen en pyrof osf atrest og et tripolyfosf at, hvorved fra 5 til 65 vekt% av ortofos fatresten og den kondenserte fosfatrest tilsammen i blandingen foreligger som kondensert fosfatrest.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4,karakterisert vedat den kondenserte fosfatrest er en pyrofosfatrest.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4,karakterisert vedat den kondenserte fosfatrest er en tripolyfos fatrest.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4,karakterisert vedat fra 25 til 45 vekt% av ortofosfatresten og tripolyfosfatresten tilsammen foreligger som tripolyfos fatrest.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 3 til 7,karakterisert vedat fra 0,1 mg/l til 1000 mg/l hydrogenperoksyd innføres i næringsblandingen.