Laccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micropollutants (endo-crine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors (LANCE)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 277.02.09
• Projekttitel Englisch: Laccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micropollutants (endo-crine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors (LANCE)

Schlüsselwörter (Deutsch)

Endokrine Disruptoren, Mikroverunreinigungen, Abwasser, FHNW, Aquaren AG, LANCE

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Endokrine Disruptoren können in Abwassereinleitungen, Oberflächengewasser und Grundwasser auftreten, weil sie nur teilweise durch die Prozesse der Abwasserreini-gung ausfiltriert werden. Diese bioaktiven Hormone stellen ein hohes Risiko für die Umwelt dar. Die bestehenden Methoden der Abwasserreinigung brauchen für den Ab-bau biologischer persistenten Mikroverunreinigungen wie endokrine Disruptoren hohe Mengen an Energie und Chemikalien.

Im Rahmen des Projekt “Laccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micro-polluants (endocrine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors”, genannt LANCE, wird untersucht ob Enzyme die auf Nanopartikeln fixiert werden und in Fest-bettreaktoren eingesetzt werden, die genannten Mikroverunreinigungen aus dem Ab-wasser effizient entfernen werden können. Das Projekt wird durch die Förderagentur für Innovation (KTI) finanziell unterstüzt. Die KTI kann aber keine Forschungsleistungen von privaten Firmen finanzieren, deshalb übernimmt das BAFU einen Teil der For-schungsleistung der Firma Aquaren AG damit alle Aspekte des Projekts abgedeckt werden können.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

- Resultate der Synthese und Produktion von Silika und mit Schwermetall dotierten Silika Nanopartikeln.

- Resultate der Abbauleistung der Laccase-Nanopartikel in Bezug auf Mikroverunreini-gungen.

- Resultate der analytischen und ökotoxischen Experimente inklusiv Quantifizierung der verbleibenden Schwermetalle und organischen Schadstoffe im Abwasser.

- Go/NoGo Meilenstein nach einem Jahr.

- Resultate der Entwicklung des mit LANCE-Technologie ausgerüsteten Membran- Festbettreaktors und dessen Einsatz in einer ausgewählten Kläranlage.

Projektziele (Deutsch)

-  Entwicklung einer kosten- und energie-effizienten Technologie (genannt LANCE-Technologie) für die Entfernung von Mikroverunreinigungen, insbesondere endokrine Disruptoren, aus dem Abwasser.

- Optimierung der Verfahrenseffizenz und Kombination der LANCE-Technologie mit wei-teren chemischen, biologischen und mechanischen Verfahren in einem Abwasserreini-gungssystem.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das Projekt „LANCE“ hatte die Entwicklung einer Technologie für die Entfernung von Mikroverunreinigungen aus Abwasser, zum Ziel. Die Technologie beruht auf der Nutzung eines Enzyms, der Laccase, das kritische Substanzen wie Bisphenol A (BPA) eliminiert.

Basierend auf einem Enzymscreening hinsichtlich enzymatischer Aktivität bei neutralem bis leicht alkalischem pH wurde ein für die Abwasserbehandlung geeignetes Enzym ausgewählt. Zwecks Steigerung von Enzymaktivität und -stabilität wurde die Laccase auf sog. „fumed silica“ immobilisiert. Um die (öko)toxikologische Unbedenklichkeit des Trägermaterials sowie des Endproduktes zu gewährleisten wurden entsprechende Studien durchgeführt.

Im Vergleich zum freien Enzym ermöglichte die Immobilisierung der Laccase nicht nur eine Erhöhung der Aktivität um bis zu 60%, sondern bewirkte eine Stabilisierung des Biokatalysators, so dass 40% initialer enzymatischer Aktivität auch noch nach 30 Tagen im Abwasser vorhanden waren. Das nicht immobilisierte Enzym war hingegen innerhalb von 3 Tagen fast vollständig inaktiv.

Der Katalysator wurde für die Eliminierung von BPA im Spurenbereich (~80 ng/L; typische Konz. nach konventioneller Abwasserbehandlung) eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die enzymatische Behandlung wirksam ist und zu einer Verbesserung der Elimination um mehr als 50% führen kann. Für die Durchführung der Pilot-Versuche wurden ausreichende Mengen des Biokatalysators hergestellt. Weiterhin wurden ein Festbettreaktor (3,6 m³) sowie ein Membranreaktor (450 L) entwickelt und auf der ARA Birs (Birsfelden, BL) miteinander gekoppelt installiert. Durch den Einsatz der Membranfiltrationsstufe wurde die Retention des Katalysators sichergestellt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Pilotversuche werden zurzeit auf der ARA Birs (Birsfelden, BL) durchgeführt. Das dort installierte System wurde mit einer Funkfernsteuerung und einem Monitoringsystem ausgerüstet. Somit können zusätzlich zu den klassischen Abwasserparametern und chemischen Analysen auch  wertvolle Betriebsdaten gesammelt werden, die Nicht nur für das Amt für industrielle Betriebe sondern auch für die Anlagenbauer (Aquaren und MMS AG) von großem Interesse bezüglich operativer und kommerzieller Zwecke ist. Das von der Hochschule für Life Sciences am Basel Inkubator gegründete Spin-off, „INOFEA“, wird voraussichtlich die Produktion und den Vertrieb des entwickelten Biokatalysators übernehmen, so dass ein neues, innovatives Produkt für den Markt zur Verfügung stehen wird.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Perspektiven für das LANCE-Projekt stehen im direkten Zusammenhang mit der Durchführung eines EU-Projekts (FP7). Im Rahmen des „Knowledge Based Bio Economy Programm“ werden neue Technologien zur Eliminierung von Mikroschadstoffen erforscht und demonstriert. Darüber hinaus werden weitere neue Enzyme sowie Enzym-Kombinationen, auf deren Eliminationseffizienz bezüglich BPA, diversen Pharmazeutika (u.a. Diclofenac und Sulfamethoxazol) und Industriechemikalien, wie das Flammschutzmittel Tetrabromobisphenol A, getestet.

Die darauf aufbauende Perspektive ist die Nutzung der Enzymimmobilisierungstechnologie zur Verarbeitung von Bioabfällen. Im Sinn einer Bioraffinerie-Strategie wird die Steigerung der Nutzungseffizienz von Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen durch den Einsatz immobilisierter Enzyme erforscht. Durch den enzymatischen Aufschluss der Biomasse sollen Molekülstrukturen mit Mehrwert für in Chemische Industrie generiert werden.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Galliker P, Hommes G, Schlosser D, Corvini PFX, Shahgaldian P (2010). Laccase-modified silica nanoparticles and their application to the elimination of phenolic pollutants. Journal of Colloid and Interface 349(1): 98-105

Galliker P, Shahgaldian P, Hommes G, Wintgens T, Pieles U, Corvini P (2009). LANCE: Laccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micropollutants (endocrine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors. HLS Forschungsbericht 2009.

Corvini PFX, Shahgaldian P (2010). LANCE: Laccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micropollutants (endocrine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors. Reviews in Environmental Science and BioTechnology 9: 23-27

Hommes G, Zimmermann YS, Yu L, Tang XF, Svojitka J, Shahgaldian P, Wintgens T, Corvini PFX LANCE: LAccase-Nanoparticle Conjugates for the Elimination of micropollutants (endocrine disrupting chemicals) from wastewater in bioreactors. HLS Forschungsbericht 2011. (in preparation)

Zimmermann YS, Hommes G, Shahgaldian P, Corvini PFX. Production and characterization of laccase-modified fumed silica nanoparticles (in preparation)