Čistenie odpadových vôd pomocou plesňových enzýmov
Čoraz viac chemikálií sa dostáva do vodného cyklu, ktorý bežné stupne čistenia čističiek odpadových vôd nemôžu odfiltrovať. Výskumná skupina preto vyvíja nový filter založený na plesňových enzýmoch, ktorý pomáha rozkladať xenobiotiká.
Viac ako 9 000 verejných čistiarní odpadových vôd v Nemecku zaisťuje biologické čistenie odpadových vôd a čo najmenšie znečistenie miestnych vôd dusíkatými zlúčeninami. Čoraz viac takzvaných xenobiotík, teda chemicky syntetizovaných zlúčenín, ktoré sa v prírode nevyskytujú, sa však nachádza v domových a priemyselných odpadových vodách. Patria sem mnohé poľnohospodárske chemikálie, lieky alebo röntgenové kontrastné látky, ako aj priemyselné chemikálie, ako je bisfenol A.
Biokatalyzátory namiesto aktívneho uhlia a ozónu
Väčšina čistiarní odpadových vôd dnes pracuje s tromi stupňami čistenia: najskôr sa mechanicky odstraňujú hrubé a potom čoraz jemnejšie nečistoty, ako je piesok a tuk. Nasleduje biologické čistenie, pri ktorom mikroorganizmy rozkladajú organické látky - najmä zlúčeniny dusíka. Po prúde je tretí stupeň chemického čistenia, v ktorom sa vyzrážajú látky ako fosfát. Xenobiotiká sa v bežných čistiarňach odpadov dajú odstrániť len ťažko alebo vôbec. To je presne miesto, kde prichádza projekt „Xenokat“ od Anetta Wernera, vedúceho pracovnej skupiny pre enzýmové technológie na Technickej univerzite v Drážďanoch. „Vždy hovoríme o stopových látkach, ale v skutočnosti sa niekoľko ton liekov na tlmenie bolesti diklofenak dostane do vody každý rok takzvanou čistou vodou, tri stupne čistenia nestačia,“ hovorí Werner.
Podľa Wernera sa už istý čas diskutuje o štvrtom stupni čistenia čistiarní odpadových vôd. „Už existujú prístupy, ktoré využívajú aktívne uhlie alebo ozonizáciu, ale majú zlú ekologickú rovnováhu a nemôžu robiť všetko,“ hovorí Werner. Biotechnológ preto chcel problém doplniť filtračnou technológiou založenou na imobilizovaných enzýmoch. Federálne ministerstvo školstva a výskumu (BMBF) ich podporilo v súťaži nápadov „Nové produkty pre biohospodárstvo“. Spoločný projekt „Xenokat“ je od mája 2017 financovaný z celkovej sumy okolo 676 000 eur.
Kovové duté guľôčky ako nosiče
Wernerov tím používa duté kovové guľôčky veľkosti hrášku ako nosný materiál pre čistiace enzýmy, ktoré boli vytvorené v rámci iného výskumného projektu BMBF. "Hľadali sme aplikácie pre tieto duté guľôčky a práve tu vstúpil do hry náš druhý hlavný pilier v pracovnej skupine: enzýmy z húb bielej hniloby," hovorí Werner. V rámci deväťmesačnej prieskumnej fázy, na ktorú BMBF prispela sumou 60 000 eur, priviedla na palubu analytických odborníkov z Federálneho ústavu pre hydrológiu. Ako priemyselný partner mohla tiež vyhrať biotechnologickú spoločnosť ASA Spezialenzyme GmbH.
Kovové duté guľôčky veľkosti hrachu slúžia ako nosný materiál pre enzýmy z húb bielej hniloby. V novej etape čistenia majú hubové enzýmy filtrovať xenobiotiká, ktoré sa vyskytujú v čoraz väčších množstvách, z čistej vody.
Zviazané kompetencie
Partneri spoločne predložili projektový zámer do súťaže nápadov „Nové produkty pre biohospodárstvo“. Po úspešnom vyhodnotení môžu drážďanskí vedci nechať svoju myšlienku ďalej dozrieť vo dvojročnej fáze uskutočniteľnosti. „Mnoho kolegov sa prihlásilo v predchádzajúcich rokoch a odporučili mi súťaž nápadov. A sám som tiež nadšený z veľmi jednoduchého procesu podávania žiadosti, “hovorí Werner. „K úspešnému odoslaniu žiadosti nám určite pomohlo spojenie kompetencií.“
Plesňové enzýmy môžu štiepiť xenobiotiká
Werner je špecialista na extrakciu a produkciu enzýmov z húb, takzvaných Basidiomycetes. Patria sem aj drevokazné biele a hnedé huby. Tieto bazidiomycety sú jediné, ktoré sú schopné štiepiť lignín z drevnej buničiny. Werner pozná kultúrne podmienky, za ktorých huby produkujú enzýmy a uvoľňujú ich do okolitého živného média. Wernerov tím sa osobitne zaujíma o takzvané lanázy, peroxidázy a peroxygenázy. Tieto enzýmy sú schopné štiepiť chemické zlúčeniny s kruhovou štruktúrou. Vďaka tomu sú tieto biokatalyzátory ideálne na odbúravanie xenobiotík z odpadových vôd.
Zmes 70 látok v teste degradácie
V laboratóriu sa schopnosti lacáz testujú pomocou zmesi analytov, ktorá obsahuje 70 rôznych látok vrátane potravinárskych prísad, liekov a produktov ich premeny. "Môžete to považovať za akýsi stĺp filtra," hovorí Werner. Vedci potom pridajú enzýmy použité na duté kovové guľôčky do zmesi analytov a skúmajú proces degradácie. „Podporu dostávame aj od Stadtentwässerung Dresden, od ktorej sme dostali veľké množstvo dát a dát. To nám umožňuje včas otestovať degradačný potenciál enzýmov v reálnych podmienkach, “vysvetľuje Werner.
Pripojte enzýmy k kovovým guľkám
Imobilizácia enzýmov na kovových guličkách je veľmi dôležitý krok, bez ktorého by sa laky v odpadovej vode jednoducho odplavili. Už prvé kontrolné testy však ukázali, aký zložitý je tento zásadný krok: „Aby sme kontrolovali, aká efektívna je degradácia znečisťujúcich látok našimi lakázami, použili sme na porovnanie rôzne patentované a komerčne dostupné enzýmy. Ale enzýmy sú citlivé a niektoré po imobilizácii už neboli aktívne, “vysvetľuje Werner.
Po dlhom vrtaní sa Werner a jej tímu konečne podarilo vložiť enzýmy do matice. Táto zmes sa potom môže veľmi tenko nanášať na kovové povrchy. Cieľom enzýmových guľôčok s plesňami plesní je, aby bioaktívny povlak vydržal niekoľko týždňov. "Potom môžu byť kovové nosné telesá odstránené, tepelne vyčistené a nakoniec prelakované." Táto výmena by mala trvať iba pár hodín, “hovorí Werner.
Prvá praktická skúška v čistiarni odpadových vôd
Predtým, ako sa tak stane, však ešte existujú dva hlavné míľniky: Na konci tohto roka sa v Drážďanoch uskutoční workshop s odborníkmi na túto tému, o ktorom sa bude diskutovať o ďalších krokoch. Malý filter s kovovými nosnými látkami a enzýmami má byť navyše nainštalovaný v čistiarni odpadových vôd v Drážďanoch na jeseň 2018. Podľa Wernera by to „potom bol prvý malý praktický test. Chceme vidieť, ako sa guľky správajú a ako dlho sú enzýmy skutočne aktívne. “Predtým, ako sa môžu tieto enzýmy použiť vo veľkých komunálnych čistiarňach odpadových vôd, je však stále nevyhnutný veľa technického pokroku, tvrdí Werner. Deklarovaným cieľom všetkých partnerov projektu je posunúť vývoj bio-technológie pre štvrtý stupeň čistenia a špeciálnu odpadovú vodu v následnom projekte. Mala by sa zvážiť aj kombinácia rôznych metód.