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Pilzsuppe als Kläranlage und Biobrennstoffzelle

Am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg hat Sabine Sané auf der Basis ihrer Doktorarbeit ein Konzept entwickelt, wie Mikroschadstoffe im Abwasser abgebaut werden könnten und gleichzeitig das Abwasser als wertvolle Rohstoffquelle dienen könnte. Dafür bekam sie als eine von vier Forscherinnen und Forschern den mit insgesamt 10.000 Euro dotierten Huber Technology Preis „Zukunft Wasser“. Die Hauptrolle in ihrem Ansatz spielt ein Enzym, das vom Baum-Weißfäulepilz Trametes versicolor abgesondert wird: die Laccase. Diese soll sowohl einen Schadstoffabbau ermöglichen als auch die Leistung einer Biobrennstoffzelle erhöhen.

Tüftelt an der Verbesserung von Kläranlagen im Sinne der Energieeffizienz: Doktorandin Sabine Sané am IMTEK Freiburg © Conny Ehm

Schadstoffe im Abwasser sind unter anderem Schwermetalle, synthetische organische Stoffe, Viren und Bakterien. Liegt die Konzentration im Mikrogrammbereich pro Liter, spricht man von Mikroschadstoffen, deren Nachweisbarkeit besser geworden ist. „Der Abbau von Mikroschadstoffen war bisher nicht im Gespräch, weil man erst jetzt mit neuen Technologien die Möglichkeit hat, sie nachzuweisen“, erklärt Sabine Sané, Doktorandin in der Abteilung Bioelektrochemische Systeme am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg.

Substanzen, die nicht durch Kläranlagen abgebaut werden, sind etwa Arzneimittelrückstände aus Privathaushalten, zum Beispiel auch Hormone. „Die Antibabypille wird von vielen Menschen genommen“, so Sané, „ein Teil davon wird über den Urin wieder ausgeschieden.“ Auch Ibuprofen und Diclofenac sind synthetische Chemikalien, die nicht abgebaut werden, sondern im Ökosystem bleiben und akkumulieren. Hinzu kommen Kontrastmittel für die Röntgendiagnostik aus Krankenhausabwässern und Antibiotika aus der Massentierhaltung.

Ein Baumpilz schafft Abhilfe

Der Baumpilz Trametes versicolor wächst in der Natur an Bäumen und ist in der Lage, den komplizierten Bestandteil Lignin des Holzes abzubauen. © IMTEK, Universität Freiburg.

Da sich die Stoffe nachweislich im aquatischen Ökosystem anreichern, lohnt es, einen Blick darauf zu werfen und Grenzwerte festzulegen. Bekannt ist, dass beispielsweise Antidepressiva den Stoffwechsel und das Verhalten von Fischen beeinflussen: Leider macht es sie nicht fröhlicher, sondern aggressiver. Östrogene hingegen können Fische unfruchtbar machen.

Ein Baumpilz könnte nun Abhilfe schaffen. Die Schmetterlingstramete (Trametes versicolor) gehört zur Familie der Stielporlingsverwandten und wächst vorwiegend auf Rotbuchen Mitteleuropas. Sie zersetzt auch verbautes Holz und ist dabei in der Lage, Lignin abzubauen. Die Arbeit verrichtet die Laccase, ein Enzym, das gekoppelte Oxidationen aromatischer Substanzen mit der Reduktion von Sauerstoff unter Bildung von Wasser katalysiert. Es verfügt über eine außerordentliche Stabilität gegenüber höheren Temperaturen und Lösungsmitteln. Seit ein paar Jahren wird der Baumpilz schon in der Forschung eingesetzt, wobei er ähnlich wie Bakterien kultiviert werden kann.

Wie Schimmel auf Apfelsaft

Trametes versicolor in synthetischem Kulturmedium ähnelt durchaus einem Schimmel auf Apfelsaft. Allerdings kann der Baumpilz Mikroschadstoffe abbauen. © IMTEK, Universität Freiburg

Mithilfe des Pilzenzyms können Schadstoffe in ihre Bestandteile zerlegt werden. „Die Laccase oxidiert die Mikroschadstoffe und ist dabei nicht wählerisch“, sagt Sané, „sie ist offen für Substrate, hat keine hohe Spezifität.“ Im Vergleich zur Abwasserreinigung mit Ozon oder Aktivkohle scheint der Pilz die clevere Alternative zu sein. Aktivkohle muss hergestellt und wieder entsorgt werden und die Ozonmethode benötigt viel Strom und geschultes Personal, da viele gefährliche Produkte entstehen. Dennoch: Wenn Laccase erst in Mikroorganismen exprimiert und dann isoliert wird, ist auch sie teuer in der Herstellung.
Aus dem Grund kam die Biologin auf die Idee, das ganze Pilzgemisch einzusetzen, und stellte fest: „Wenn der Pilz auf einer flüssigen Kultur seine Nährstoffe bekommt, wächst er darauf, wie Schimmel auf dem Apfelsaft.“ Offenbar scheidet Trametes dann nicht nur Laccase ab. „Unsere Idee ist, dass er einen ganzen Enzymkomplex ins flüssige Medium abgibt“, erklärt sie, „und den ungereinigten Überstand nimmt man zum Schadstoffabbau.“

Dies ist nur ein Teil des Konzeptes, für den die Doktorandin einen Preis der Huber Technology Stiftung 2014 zum Thema „Ressourcen und Energie aus Wasser“ erhalten hat. Der Preis wurde für eine energieeffiziente Abwasserreinigung ausgeschrieben, um junge Wissenschaftler zu motivieren, neue Wege im Sinne der Umwelt zu gehen. Der zweite Teil von Sanés Konzept: Mit demselben Baumpilz lässt sich außerdem die Leistung einer hybriden mikrobiell-enzymatischen Brennstoffzelle verbessern.

Kostengünstige Energieeffizienz mit Trametes

So soll die Kultur von Trametes in das Kläranlagenkonzept eingebaut werden: Die Laccase aus dem Pilz betreibt die Biobrennstoffzelle und baut im Abwasser Mikroschadstoffe ab. © IMTEK, Universität Freiburg
In einer hybriden mikrobiell-enzymatischen Brennstoffzelle können die Mikroorganismen, die schon im Abwasser vorhanden sind, an die Anode anlagern und übertragen auf sie Elektronen aus ihrem Stoffabbau. „Statt mit Sauerstoff können die Bakterien mit der Anode atmen“, verdeutlicht Sané, „gleichzeitig verstoffwechseln sie den organischen Kohlenstoff im Abwasser – man muss ihnen nicht extra etwas geben.“ Für einen Stromkreislauf müssen die Elektronen zum anderen Pol, der Kathode, wandern. Hier sitzt die Laccase, die als Katalysator für die Elektronenübertragung auf den Sauerstoff fungiert. Da die Laccase jedoch nur eine kurze Lebensdauer von etwa zwei Wochen hat, wird eine solche Brennstoffzelle bisher nur im Labormaßstab verwendet. Auch hier ist das Isolieren und Aufreinigen des Enzyms sehr aufwendig. Wieder war Sanés Idee, diese Schritte zu überspringen und gleich die „komplette Pilzsuppe zu nehmen, in der neben dem Enzym noch alles Mögliche drin ist". Das Ergebnis: Die Brennstoffzelle lief genauso gut, wenn nicht noch ein wenig besser als mit aufgereinigtem Enzym. „Es hat uns erstaunt, dass es so einfach funktioniert“, gesteht die Forscherin. „In der Arbeit konnten wir zeigen, dass man die Lebensdauer der Kathode ganz entscheidend verlängern kann, indem man den Pilzüberstand immer wieder austauscht.“ So kam die Kathode auf eine Lebensdauer von vier Monaten und Sané hatte nicht das Gefühl, das Ende schon erreicht zu haben. „Danach ist mir leider mein Reaktor ausgetrocknet“, sagt sie. Ihre Vision ist eine Kombination von zwei Verfahren mit der Laccase: eine Pilzfarm im Abwasser, kombiniert mit einer Kläranlage - eine autarke Abwasseranlage, die schon ihre eigene Energie mitbringt und zudem noch Mikroschadstoffe entfernt. „Clever wäre, den Pilz direkt auf demselben Abwasser zu kultivieren, in dem die Brennstoffzelle ist und aus dem die Arzneimittel abgebaut werden“, meint Sané, „man hätte das Wasser gereinigt und obendrein Strom gewonnen.“ Das Konzept steht bereits, nun geht es an die Umsetzung.
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