41biotech-bakterien

SEKUNDARSTUFEN

43biotecbakterien

Biotechnik 2 Nutzung von Bakterien

Volker Schneider

vgl auch. Bakterien Gewässser

vgl auch Bakterien in der Umgebung Umwelt Luft

Experimente und Informationen:

Herstellung von Essig Sauerkraut Abwasserreinigung in Klärwerken Modellversuch biologische Wasserreinigung

Metallgewinnung Leaching Bakterien und Leinen Leinenherstellung vor 150 Jahren

Versuch1

Vom Wein zum Essig

Was wird gebraucht?

Für die Apparatur nach dem Durchlaufverfahren:

Ca 20 cm Plastikrohr 2-3 cm Durchmesser, Aquarienpumpe, Schläuche, Stopfen und Glasrohre Auffanggefäß (Marmeladenglas) Einlauftrichter zum Ausgleich des Zulaufs mit Quetschhahn, pH- Papier, etwas Essig, etwa 500 ml Weißwein

Was ist zu tun?

1) Zusammenbau der Apparatur.
2) Probelauf mit Wasser: der Luftdurchsatz muss so eingestellt werden, dass die Luft die Flüssigkeit mitreißt und das Wasser tropfenweise in den Zulauf gelangt.
3) den Zulauf so einstellen, dass die Buchenholzstücke gut feucht sind, aber nicht unter Wasser stehen.
4) den Wein verdünnen, so dass ungefähr 5% Alkohol noch enthalten ist.
5) Den ein auf pH 6,5 einstellen (mit NaOH oder evtl. Essig.
6) das Wasser im Fermenter durch den verdünnten Wein ersetzen.

Überprüfung:

In den nächsten Tagen stellt sich bei kontinuierlichem Betrieb ein erster Geruch nach Essig ein.

Der pH-Wert sinkt auf 3,5.

Was ist zu tun?

1) Zusammenbau der Apparatur.
2) Probelauf mit Wasser: der Luftdurchsatz muss so eingestellt werden, dass die Luft die Flüssigkeit mitreißt und das Wasser tropfenweise in den Zulauf gelangt.
3) den Zulauf so einstellen, dass die Buchenholzstücke gut feucht sind, aber nicht unter Wasser stehen.
4) den Wein soweit verdünnen, so dass ungefähr 5% Alkohol noch enthalten ist.
5) Den Wein auf pH 6,5 einstellen (mit NaOH oder evtl. Essig.
6) das Wasser im Fermenter durch den verdünnten Wein ersetzen.

Überprüfung:

In den nächsten Tagen stellt sich bei kontinuierlichem Betrieb ein erster Geruch nach Essig ein.

Der pH-Wert sinkt auf 3,5.

Fehlerquellen: Die Buchenholzstückchen dürfen nicht imprägniert oder sonst mit Holzbehandlungsmitteln oder Fett in Berührung gekommen sein. Der Wein sollte möglichst nicht geschwefelt sein. Die durch gepumpte Luft muss durch einen großen Wattefilter möglichst von Pilzsporen gereinigt werden.

Essigherstellung Wenn man Wein an Luft stehen lässt, schmeckt er kurze Zeit später wie Essig. Dies ist schon seit 6000 Jahren bekannt und wurde schon bei den Völkern des Zweistromlandes ausgenutzt, denn mit einem Essigzusatz lassen sich Getränke und auch Speisen länger haltbar machen. Erst in 16. Jahrhundert entwickelte sich in Westeuropa eine Art der Industriellen Essigherstellung. Offensichtlich war die Essigherstellung nicht so einfach, als dass jede Hausfrau Essig herstellen konnte. Lavoisier entdeckte die Essigsäurebakterien und stellte die Verfahren auf eine wissenschaftliche Grundlage. Essigsäure“gärung“: Der Prozess der Umwandlung von Ethanol in Essig ist kein anaerober Vorgang. Vielmehr wird vergleichsweise viel Sauerstoff benötigt. Die Essigsäureproduktion ist daher im chemischen Sinne keine Gärung, sondern eine Oxidation. CH₂OH + O₂ -------> H₃CCOOH + H₂O Technische Verfahren: Orleans-Methode (für extra gute Essigsorten): Man nimmt ausgesuchten Wein und lässt ihn flachen Holzpfannen fast ein Jahr „vergären“. Dabei entstehen Aromastoffe (Ester und Alkane), die den Geschmack wesentlich bestimmen. Durchlüftungsverfahren: Hier wird in einem Fermenter mit Buchenholzstücken Wein versprüht, während von unten steriler Luft gegen geblasen wird. Nach mehrmaligem Umpumpen entsteht der „Industrieessig“. Dieser wird für chemische Umsetzungen noch gereinigt und für den Hausgebrauch meist noch mit Aromastoffen versehen. Im Schulversuch ist darauf zu achten, dass die Buchenholzspäne nicht unter Wasser stehen. Vorteilhaft gibt man etwas Naturessig vor Versuchsbeginn zu den Buchenholzspänen. Je größer die Oberfläche, um so eher erhält man Essig. nach: Bühler, A.E., E. Graf u. V. Schneider

Versuch 2

Sauerkraut

Kessler, K, Kunz. P.M. und I. Sommer

Sauerkraut Einführung Sauerkraut gilt im Volksmund als „Besen für den Darm“, es ist seit langer Zeit als Lieferant für Vitamin C bekannt. Sauerkraut entsteht durch die Wirkungsweise von Salz liebenden (halophilen) Milchsäurebakterien aus Weißkohl. Das Produkt des Stoffwechselprozesses dieser Bakterien ist Milchsäure. Diese ist nicht nur für die Konservierung sondern auch für den „sauren“ Geschmack des Krautes verantwortlich. Der hohe Vitamin C Gehalt und die lange Haltbarkeit, aber vor allem der charakteristische Geschmack machen das Sauerkraut zu einer auch heute sehr beliebten und gesunden Beilage. Schon im Römischen Reich wie auch im „alten China“ wurde Gemüse durch Milchsäuregärung eine längere Haltbarkeit verliehen. Vor allem im Winter beugte Sauerkraut, welches seinen Namen von seinem typischen Geschmack hat, wegen des hohen Vitamin C Gehalts von 20mg pro 100g Mangelerscheinungen vor. Die Sauerkrautherstellung gehörte zu den Pflichten einer Hausfrau bis die Nahrungsmittelindustrie die Herstellung in großem Stil übernommen hat. Im hier vorgestellten Versuch wird nicht nur Sauerkraut selbst hergestellt, sondern auch eine Wachstumskinetik erarbeitet, die in die biotechnische Arbeitsweise einführen und diese verständlich machen kann. Didaktischer Hintergrund: Der Versuch ist geeignet, vom einfachen, fast spielerischen Anfang über eine schon genauere Erfassung des Vorgangs hin zu einer wissenschaftlichen Erarbeitung im Bereich der Verfahrenstechnik (Arbeitsunterlage 3 und 4 in Art eines Spiralcurriculums zu gelangen. Dabei können je nach Gruppensituation die verschiedenen didaktischen Niveaus im Unterricht erreicht werden. Tipps: Für rund 500g Sauerkraut benötigt man 1000g frischen Weißkohl, ausreichend Kochsalz, einen irdenen Topf entsprechender Größe. Möglichst sauberes aber nicht steriles Arbeiten: am Weißkohl selbst sind genügend Milchsäurebakterien anhaftend, die die Fermentation in Gang setzen. Nach dem Einstampfen tritt auf Grund des größeren osmotischen Drucks der Kochsalzlösung Wasser aus den Zellen aus. Die Zellen sterben ab. Ein mittlerer Pressdruck (per Hand) unterstützt den Vorgang. Grundsätzlich gilt aber, den Eintrag von Fremdkeimen gering zu halten, weshalb die Hände vorher gründlich zu reinigen sind. Man kann den Versuch auch in einem großen Becherglas oder einem hohen Topf aus Edelstahl durchführen. Das Kraut soll nun vollkommen von der Salz- Lake bedeckt sein. Um die noch vorhandenen Luftblasen auszupressen, verwendet man einen sogenannten Gärstempel. Das Gaergefaeß wird dann 7 Tage bei Raumtemperatur abgestellt. Verwendet man kein Gärgefäß nach Abbildung 4, bei dem die sich bildende Kohlensäure über den Wasserring austreten kann, wird nach dem ersten Gärungstag der Deckel des Gefäßes etwas angehoben, so dass verbliebene Luftblasen und das gebildete CO₂ austreten können. Nach 7 Tagen wird der Gärbehälter in eine Umgebung mit 10 - 15 °C (früher oft im Keller) gebracht. Dort soll das Sauerkraut mehrere Wochen reifen und für den Geschmack wichtige Aromastoffe bilden. Im folgenden Abschnitt wird die Fermentation im Detail beschrieben. Die Fermentation: Für die Fermentation von Weißkohl zum Sauerkraut sind verschiedene Milchsäurebakterien verantwortlich, die bereits zwischen den Kohlblättern darauf „warten“, ihre Arbeit verrichten zu dürfen. Darunter finden sich Leuconostoc paramesentroides, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus sake und Lactobacillus curvatus. Gerade in den ersten Tagen der Fermentation spielt Leuconostoc mesenteroides eine übergeordnete Rolle. Die Milchsäurebakterien verstoffwechseln anaerob, teilweise sind sie aber auch aerotolerant. Neben Milchsäure werden zu Beginn auch Essigsäure und andere organische Säuren gebildet, die den Geschmack sehr beeinträchtigen können. (nach einem Unterrichtsversuch von Kai Kessler, Peter M. Kunz und Isabell Sommer, nicht veröffentlicht) Die Reaktionsgleichungen: Optimierung des Fermentationsprozesses: Bei einer Fermentation, wie der Herstellung von Sauerkraut, verstoffwechseln Mikroorganismen Substrate (Ausgangsstoffe) zu Produkten, wie in unserem Fall die Glucose zur Milchsäure. Sind die Organismen gut mit Substrat und einigen Spurenstoffen versorgt, nimmt das „Wachstum“ ständig zu (Abb.1 Phase a) bis zum optimalen Wachstum (Abb.1 Phase b). Vereinfachend spricht man von Wachstum, gemeint ist die Zunahme der Bakterienmenge oder die Zunahme des Produkts, messbar als Gewichtszunahme des Produkts oder als Trübungszunahme in der Suspension als Zeichen für die zunehmende Menge an Bakterien. Die Erfassung der Geschwindigkeit der Umsetzung möglichst einfach analysieren zu können, ist ein wichtiges Anliegen der Verfahrenstechnik. Damit kann nämlich die Effektivität des Prozesses ermittelt und durch entsprechende Maßnahmen optimiert und kostengünstiger gestaltet werden. Dieses Verfahren kann an der Sauerkrautherstellung exemplarisch erarbeitet werden. Wissenschaftlicher Hintergrund: Die Theorie von Michaelis und Menten nimmt für den Ablauf der Enzymreaktion zwei Reaktionsschritte an. Diese Theorie hat sich bis heute bewährt. Dieses Verfahren gilt auch für Multienzymprozesse in ganzen Lebewesen. Für ein einzelnes Enzym gelten folgende Reaktionen: Dabei ist: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dann optimal, wenn die Menge an freiem Enzym E und an gebundenem Enyzm ES gleich ist. Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit Km oder die Umsetzungsrate als ein Kriterium für das betreffende Enzym wählen: Je kleiner Km ist, um so höher ist die Umsetzungsgeschwindigkeit des Enzyms unter bestimmten Bedingungen. In der Verfahrenstechnik ist also die Bestimmung von Km ein interessanter Wert, um Anhaltspunkte für die Optimierung des Prozesses zu gewinnen. Bei der experimentellen Bestimmung von Km gibt es allerdings Schwierigkeiten: Wenn man im Experiment die Substratmenge ständig erhöht, wird immer mehr Enzymsubstratkomplex gebildet, bis alles Enzym im Komplex gebunden ist. Dann ist die Geschwindigkeit der Umsetzung optimal. Die Kurve der Geschwindigkeit verläuft fast horizontal. Diese maximale Geschwindigkeit ist allerdings experimentell nur ungenau zu bestimmen. Michaelis und Menten haben daher vorgeschlagen; V = 1/2max als Km zu wählen (vgl. Abbildung 1). Hier ist die Messung sehr genau. Diese Konstante heißt nach den Entwicklern der Enzym-Theorie Michaelis-Menten-Konstante

Versuch 1

Wir stellen Sauerkraut her!

Man braucht:

Einen hohen Topf aus Edelstahl oder ein großes Becherglas (1000m).

frischen, sauberen Weißkohl, Kochsalz, Wasser

Herstellung

1)    Der Weißkohl (etwa 1000g) wird in kleine Scheiben geschnitten, so dass die Blätter in Streifen oder kurze Stücke zerfallen.
2)    Die Blattstücke werden langenweise mit Kochsalz versehen und mit der Hand (vorher waschen) unter leichtem Druck eingestampft.
3)    Nach einiger Zeit tritt Wasser aus. Das Gemisch ist nun vollständig mit der Salzlake bedeckt.
4)    Etwa vorhandene Luftblasen werden mit einem Holzstempel ausgetrieben.
5)    Man legt eine Untertasse auf die Gärmasse und beschwert mit einem sauber gemachten Stein.
6)    Bei Raumtemperatur etwa 7 Tage stehen lassen.

Ein erstes Probieren ist möglich. Das frische Sauerkraut sollte leicht sauer, aber nicht bitter schmecken und mit dem typischen Geruch und Geschmack versehen sein.

Das frische Sauerkraut verbessert sich noch durch eine Lagerung bei 10 Grad für weitere 4 Wochen (Reifung)

Versuch 2

Überprüfung der Sauerkrautentstehung

Man kann untersuchen:

1) Der pH-Wert: Einen ersten Hinweis auf die Aktivität der Mikroorganismen liefert der pH-Wert. Man nimmt einen Streifen ph-Papier und träufelt mit einem Glasstab einen Tropfen der Lake auf. Die Farbänderung zeigt den pH-Wert an. Der sollte allmählich unter pH 4.0 sinken. Der Gehalt an Milchsäure liegt bei einem guten Sauerkraut bei 2%.

2) Gasproduktion: Man nimmt eine Flasche, fügt etwas Flüssigkeit aus dem Gärgefäß ein.

Gibt mann etwas Weißkohl und noch zwei Teelöffel Zucker zu.

Das Gefäß wird mit einem Luftballon verschlossen.

Nach einiger Zeit sollte sich der Luftballon aufblähen. Dies zeigt an, das Gas durch

den Stoffwechsel der Bakterien entsteht.

3) Zuckertest. Der Zuckergehalt der Lake muss ständig abnehmen, wenn die Bakterien richtig arbeiten. Mit Hilfe

eines Zuckermessstäbchens (Apotheke) kann man das überprüfen. Der Zuckergehalt ist aber schon zu Beginn sehr

gering. Führe eine Kontrolle mit einer 1%igen Glucoselösung durch!

4) Bakterienzunahme:

- Man gibt etwas Lake auf einen Objektträger und verstreicht den Tropfen.
- wenn der Tropfen trocken ist, zieht man ihn mit der Tropfenseite nach oben wenige Male durch eine Kerzen- oder Bunsenflamme zur Sterilisierung
- dann tropft man einen Tropfen Methylenblau auf und spült nach 3 Minuten die überschüssige Farbe ab.
- Nun kann man die blau gefärbten Bakterien zwischen Resten von Fasern erkennen.

- Überprüfng nach jeweils 4 Tagen zeigt die Mengenzunahme der Bakterien an.

(Kontrolle: Bakterien aus dem Zahnbelag, nach der gleichen Methode angefärbt.)

Versuch 3

Bestimmung der Ks Konstanten aus der Sauerkraut-Flüssigkeit

Trübungsmessung:

Wachstumsverhalten der Sauerkraut-Bakterien im

Zeitverlauf, gemessen als Trübung der Suspension.

Der blaue Bereich gibt den Bereich des optimalen Wachstums µ _max an.

Aufgaben:

Tragen Sie die von Ihnen gefundenen Verläufe in einer anderen Farbe
in obigen Graf ein! exponentiellen Verlaufs (blauer Bereich in Abb. 1);
Bestimmen Sie Ks nach der Methode von Lineweaver-Burc.
Bestimmen Sie zwei µ_max / 2 am Anfang und am Ende des Versuchs

Abb. 2: Bestimmung von KS

Vergleichen Sie den gefundenen Wert mit dem Wert aus der Literatur!

Literaturwerte: Für eine Reinkultur eines Bakteriums ergab sich ein µ_max von 0,48 g/h und ein K_S von 0,29 mol/L (oder 52,25 g/L umgerechnet mit der Molmasse der Glucose). Dies bedeutet, dass die BTM (=Biotrockenmasse ) einen Zuwachs von 0,48g pro Stunde zu verzeichnen hat, bei ausreichend hoher Glucose-Konzentration. Unter aeroben Bedingungen wird ein Ks von 0,6g/Std erreicht. Für den Stoffwechsel mit Saccharose eine Ks von 0,9g/Std.

Worauf führen Sie die Unterschiede in den Ks Werten zurück?

Biotechnik: Bakterien bei der Abwasserklärung

Abwasserklärung Einführung: Die Klärwerke in den verschiedenen Städten sind recht unterschiedlich je nach Anforderungen konzipiert. Hier zwei Beispiele: Mit dem wirtschaftlichen Aufschwung nach dem Zweiten Weltkrieg und der starken Zunahme der industriellen Produktion gelangten große Abwassermengen in die Flüsse. Ein modernes Klärwerk vollzieht die Selbstreinigungsprozesse wesentlich schneller als dies ein Fluss leisten könnte. Man nutzt Bakterien und Einzeller für diese Prozesse in Belebtschlamm Becken, die überwacht und immer weiter verbessert werden. In den Ausbau der Kläranlage hat z. B. die Stadt Karlsruhe seit 1960 rund 140 Millionen Euro investiert. Das Wasser, das wieder aus einem Klärwerk in einen Fluss geleitet wird, ist aber immer noch nicht trinkbar. Es enhält noch zu viel Schwermetalle. Daher muss Trinkwasser aus dem Grundwasser geschöpft werden und noch gereinigt werden, bis es in die Wasserleitungen in die Haushalte abgegeben werden kann.

Klärwerk Karlsruhe aus der Vogelperspektive

Die viereckigen Becken enthalten Belebtschlamm zur biologischen Reinigung, die darüber liegenden Rundbecken dienen der Zwischenklärung und Rückführung der Bakterien und Einzeller. In den Behältern in der Mitte werden Stickstoffverbindungen abgebaut. Die großen Rundbecken dienen der Nachklärung. - Anschließend wird das Wasser in den Rhein geleitet. Das auf diese Weise geklärten Wasser ist aber immer noch nicht als Trinkwasser geeignet.´

Trinkwasser muss heute durch besondere Anlagen zur Trinkwasserherstellung bewerkstelligt werden.

Früher war das Ziel, die Wassergüte der Flüsse – am Beispiel des Rheines – so zu verbessern, dass aus dem Flusswasser durch besondere Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung gewonnen werden könnte. Heute zeigt sich, dass die Möglichkeiten zur Herstellung von Trinkwasser nicht mehr ausreichen. Eine herkömmliche Kläranlage kann Giftstoffe wie Arzneimittelreste, Hormone oder Medizinische Lösungen nicht unschädlich machen. Phosphate, Stickstoffdünger, Industriegifte stellen ernste Probleme für die Trinkwassergewinnung dar. Notwendig wäre, solche Gifte schon bei ihrer Entstehung in den Betrieben aus dem Abwasser zu entfernen oder erst gar nicht entstehen zu lassen.

Vgl auch: https://www.karlsruhe.de/b3/bauen/tiefbau/entwaesserung/klaeranlage.de

Das Klärwerk in Forchheim am Oberrhein ist ausgelegt für 600.000 Einwohnerwerten. Es dient der Aufbereitung des Abwassers von Freiburg und den umliegenden Gemeinden. Das Klärwerk wurde 1980 als mechanisch-biologische Anlage in Betrieb genommen. Es ist in der Lage, eine Abwassermenge von bis zu 5,1 m³/s zu verarbeiten.

Diese Kläranlage verfügt in der mechanischen Stufe über ein Pumpwerk mit drei Förderschnecken, eine Rechenanlage mit Grob- und Feinrechen, einen belüfteten Sandfang und acht Absetzbecken zur Vorklärung.

Die biologische Stufe besteht aus 24 Reaktions- und 4 Nachklärbecken. Eine feinblasige Flächenbelüftung sorgt hier für die Sauerstoffversorgung. Zur Behandlung und Entnahme der Phosphate sind Vorratsbehälter und Dosiereinrichtungen für Chemikalien angegliedert.

Kläranlage für die Stadt Freiburg und die umliegenden Gemeinden,

vorne ein Vorklärbecken zum Absetzen des Feinschlamms und der Fettverunreinigungen,

im Hintergrund die gewaltigen Faulschlammtürme.

Der anfallende Klärschlamm wird in drei Faulbehältern ausgefault. Das dabei anfallende Klärgas (meist Methan) wird zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt. Der Faulschlamm muss entwässert und getrocknet werden. Der Faulschlamm wurde früher als Dünger benutzt. Er enthält allerdings Schwermetalle usund andere Giftstoffe. Deswegen muss der Faulschlamm auf gesonderte Deponien verbracht werden.

(vgl: https://www.azv-breisgau.de/index.php/klaeranlage).

Versuch 4

Arbeitsweise einer herkömmlichen Kläranlage

Modellversuch

Benötigte Geräte:

1. Eine 1,5 Liter Flasche für das Schmutzwasser

2. Vier etwa 1 Liter fassende viereckige Vorratsbehälter (aus Plastik, Haushaltswarengeschäft)

3. 4 verschieden hohe Holzklötze (oder Stative mit Halterungen)

4. etwa 15 x 15 cm Fliegendraht (Heimwerker)

5. Elektrobohrer mit Bohrer (2cm Durchmesser),

6. Fünf durchbohrte Gummistopfen, 2cm kleinster Außendurchmesser

7. Fünf Plastikröhrchen (Absaugröhrchen vom Zahnarzt), passend für die Gummistopfen.

8. Vier Röhren, 2-3cm Durchmesser aus Plexiglas (Heimwerker-betriebe)

9. Eine Auffangschale als Vorfluter (= Gewässer, in die das gereinigte Wasser wieder eingeleitet wird).

10. Einen etwa 10 cm langen Plastikschlauch mit Klemme (Aquarienzubehör)

11. Aquarienpumpe mit zwei Schläuchen zur Lufteinführung, zwei Klemmen zur Steuerung des Luftdurchsatzes und 1 Lüfterstein. (Aquarienzubehör)

Suspensionen, Lösungen, Nachweise:

„Belebtschlamm“ :50g Bäckerhefe in 1000ml Wasser suspendieren,

„Schmutzwasser“: in 1 Liter suspendieren bzw. aufschlämmen: etwas Sand, etwas Gartenboden, Papier und evtl. Holzschnitzel, 10g Glucose, 2 ml Speiseöl, 10 g Kaffeesahne, etwa 2gr Natriumphosphat.

Zuckernachweis:Glucosestest-stäbchen (Apotheke) zur Überprüfung des Abbaus von Glucose (oder Zuckertest nach Fehling);

Chemische Reinigung: 20 g EisenIIIChIorid in 100ml. Zugabe in Becken 3 bis grünliche Färbung eintritt. Bei Phosphat im Schmutzwasser fällt in Becken3 Eisenphosphat aus.

Demonstrationsversuch:

1.    Wasser in Becken2 so viel Hefe zusetzen, bis weißliche Brühe entsteht. Luft kräftig durchperlen lassen.
2.    Vorbereitetes Schmutzwasser nochmals aufschlämmen und Becken1 füllen. Klemme zum Einlauf in Becken2 noch geschlossen halten.
3.    Luft vorsichtig durch Becken1 perlen lassen, so dass eine umlaufende Strömung entsteht: Warten, bis sich an der Oberfläche Fett abscheidet und am Boden Feinschlamm sich absetzt (= mechanische Reinigung).
4.    In Becken3 so viel Eisenchlorid einfügen bis sich eine hell grüne Lösung einstellt.
5.    Abschlusshahn zwischen Becken1 und Becken2 so weit öffnen, dass Schmutzwasser tropfenweise in Becken2 einläuft.
6.    Die weiteren Becken füllen sich langsam soweit auf, dass ein tropfenweiser Überlauf von einem Becken in das andere stattfindet.
7.    Nun den Zuckergehalt am Einlauf vor Becken2 messen. Glucosetest-Stäbchen an Einlauf in Becken2 halten. Es muss Zucker nachweisbar sein.
8.    Wenn nach 4-5 Stunden der Wasserstand in Becken1 die Auslaufhöhe erreicht hat, den Zuckergehalt beim Einlauf in Becken2 und beim Einlauf in den Vorfluter messen.

Es sollte sich am Einlauf in den Vorfluter kein Zucker mehr nachweisen lassen.

Aufgaben:

Informieren Sie sich aus dem Internet über die verschiedenen Formen und technischen Möglichkeiten der Abwasseraufbereitung.
Warum muss Phosphat aus dem Schmutzwasser entfernt werden?
Informieren Sie sich über den wechselnden Sauerstoffgehalt in Gewässern, Umkippen eines Gewässers, anaerobe und aerobe Gewässer.

Vgl. auch

Umwelt Wassergüte

Information: Biologische Abwasserklärung

Haxel, J. u V. Schneider (1996): Abwasseraufbereitung im Schulversuch PN-Bio, 1/ 45;

Problem: Abwasseraufbereitung auf biologischem Wege Jahrhunderte lang hat man die häuslichen Abwässer und die sonstigen Stoffe einfach in die Natur "entsorgt". Mit der Entwicklung von großen Städten und Industrieanlagen wurde aber eine geplante, großflächige Behandlung der Abfallstoffe aus hygienischen Gründe wictig. Die sorgfältige Aufbereitung von Abwässern aus Haushalt und Industrie war vor rund 100 Jahren ein wesentliches Anliegen der Regierungen. Dies ist bis heute so geblieben. Die Abwasserklärung ist ein hygienisches Anliegen, einmal für die menschliche Gesundheit, aber auch im Rahmen eines modernen Umweltschutzes. Angesichts der zunehmenden Trinkwasserknappheit erscheint eine Abwasserklärung heute in besonderem Maße aktuell. Nach der Cholera Epidemie wurde nachgewiesen, dass Abwässer für die Krankheit verantwortlich waren. Ab 1881 waren alle Städte in Deutschland aufgerufen, für hygienische Verhältnisse auch in Bezug auf Abwasser zu sorgen, So richtete die Stadt Freiburg z. B. 1882 große Felder her, die mit Abwasser geflutet wurden (Rieselfelder). Man ließ das Abwasser eintrocknen und die Bakterien ihre Arbeit tun. Der verbleibende Schlamm wurde als guter Dünger verkauft. Das Wasser wurde letztlich in den Rhein geleitet. Es zeigte sich aber, dass soviel Metallsalze ebenfalls in die Abwasserbecken gelangten, dass der eigentlich gute Dünger für die Landwirtschaft nicht mehr zu nutzen war. Die Folge war, dass große Abwasseranlagen in allen Städten nach dem 2ten Weltkrieg errichtet wurden. Bis heute macht die Entfernung von Schwermetallen aus dem Abwasser große Schwierigkeiten. Biologische Abwasserklärung Seit 1963 ist bekannt, dass Binsen und andere höhere Wasserpflanzen in der Lage sind, besonders rasch Abwässer zu klären. So wurde nachgewiesen, dass die Flechtbinse metallische Verunreinigungen aufnehmen kann, gleichzeitig wird der Gehalt an Salmonellen und Eschericha coli wesentlich vermindert. Lit: Kikuth, R. (1981): Abwasserreinigung in Mosaikmatritzen aus aeroben und anaeroben Teilbezirken, GWF-Schriftenreihe München; Kopp, R. (1982): Das Verfahren der Wurzelraumentsorgung –eine Alternative zur konventionellen Klärtechnik, Hannover; Zimmermann, W. (1973): Verminderung der Eutrophierung von Oberflächengewässern durch Anpflanzung der Flechtbinse Sirpus lacustris Nachweis mit Phenol: Phenol, das als Abfallstoff der chemischen Industrie anfällt, wird rasch in der Pflanze selbst abgebaut. Man kann Phenolabbau als Marker für die Fähigkeit von Binsen Organische Substanzen abzubauen, auswählen,. Binsen können auch im verunreinigten, sauerstoffarmen Wasser wachsen, da mit Hilfe ihres Aerenchyms die Wurzeln auch in fast anaerober Umgebung ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen sind. Die im Wurzelbereich entstehenden Mikro-Ökosysteme tragen mit ihrem Artenreichtum an aeroben und anaeroben Bakterien wesentlich zur Reinigungsleistung bei. Zwei Verfahren sollen erwähnt werden: Ph Krefelder Verfahren: In einem unbewegten Filterbecker setzen sich Schwebstoffe ab, im Kiesbett werden Grobstoffe weiter abgeschieden, gleichzeitig kann durch Binsenbewuchs der BSB₅ Wert in 5 Tagen um 50% gesenkt werden. (BSB₅= biologischer Sauerstoffverbrauch in 5 Tagen). Pro Tonne Fäkalienabwasser werden 1 Quadratmeter Filterbecken benötigt. Der anfallende Schlamm muss von Zeit zu Zeit entfernt werden. Kikuth- Verfahren (Wurzelraumverfahren): Das Klärbecken wird mit einer Tonschicht abgedichtet, es erhält ein Kiesbett und wird mit Binsen und anderen Wasserpflanzen bestückt. Die im Wurzelbereich entstehenden viele kleine aerobe und anaerobe Ökosysteme bauen Fäkalien besonders rasch ab. Da die Fließrichtung horizontal verläuft, verschlammen die Becken wesentlich langsamer. Die Vorteile solcher biologisch ausgerichteten Kläranlagen werden in dem geringen Energieaufwand, in der guten Reinigungsleistung auch bei sehr stark schwankender Abwasserzufuhr und in der sehr großen Toleranz bezüglich der Inhaltsstoffe des Abwassers gesehen. Nachteilig sind der große Flächenbedarf und die Zeitdauer der Reinigung. Kikuth, R. (1981): Abwasserreinigung in Mosaikmatritzen aus aeroben und anaeroben Teilbezirken, GWF-Schriftenreihe München; Kopp, R. (1982): Das Verfahren der Wurzelraumentsorgung –eine Alternative zur konventionellen Klärtechnik, Hannover; Seidel, K. (1981): Pflanzenkläranlagen Krefelder System, ZFM. Sicherheit in Chemie und Umwelt 127-129;

Versuch 5

Biologische Kläranlage im Schulversuch

Jürgen Haxel

Um den Schulversuch besonders effektiv zu gestalten, wurde mit käuflichem Gartenboden gearbeitet und zum Nachweis der Effektivität der Abbau von Phenol gewählt, das durch eine Farbreaktion gut nachweisbar ist.

(Wachstumskurven von Bakterien wurden aus hygienischen Gründen nicht durchgeführt.)

Phenolnachweis:

Reaktionslösung1: 0.07Gramm Nitroanilin in 16ml 0,01normaler Salzsäure, alles auf 100ml auffüllen.

Reaktionslösung 2: frische Lösung von 1g Natriumnitrit in 100ml Wasser.

Eichreihe: In einer Eichreihe mit wenigstens 6 verschiedenen Konzentrationen (von 200mg Phenol/Liter Abwasser = tiefrote Farbe bis zu 0,8mg Phenol/Liter = Nachweisgrenze) werden verschiedene Farbtiefen erreicht. Diese Lösungen bleiben etwa 3 Wochen stabil. Im Vergleich mit der Farbtiefe der im Abwassertest erreichten Färbung ist eine Abschätzung des noch vorhandenen Phenols im Abwasser möglich.

Test: 2ml der zu untersuchenden Wasserprobe werden mit 1ml 2n NaOH versetzt, dann werden 5ml Reaktionslösung zugegeben.

Versuchsaufbau:

Blumenkasten1 Kontrolle: Boden, Wasser mit Phenol,
Blumenkasten2 Kontrolle: Wasser mit Phenol,
Blumenkasten3 TEST: Boden, Pflanzen, Wasser mit Phenol

Jeder Versuchsansatz ist mit 50mg Phenol / 1 Liter Wasser „verunreinigt“. Es werden ca. 30 Liter Wasser benötigt, um den Boden zu sättigen und den Kreislauf in Gang zu setzen. (Versuchsansätze mit 25mg Phenol / Liter Wasser und 75mg Phenol / Liter Wasser erbrachten vergleichbare Ergebnisse).

Ergebnisse:
Kurve A: Kontrolle 1Bei im Backofen bei 100⁰ Celsius 20min lang sterilisierten Böden ohne Binsen.

Kurve B: Kontrolle 2 Gartenboden +Wasser + Phenol.

Kurve C: Test: Boden + Binsen+Wasser +Phenol.

Nach 4 Tagen ist Phenol nicht mehr nachweisbar

Biotechnik: Bakterien und Erzgewinnung

Volker Schneider

Erzgewinnung mit Bakterien Man vermutet, dass schon vor rund 3000 Jahren Erzgewinnung mit Hilfe eines Auslaugverfahrens durchgeführt wurde, aber erst seit wenigen Jahrzehnten ist bekannt, dass Bakterien die wesentliche Rolle spielen. Diese Bakterien sind in der Lage, im stark sauren Bereich ihre Lebensenergie aus der Oxidation von Schwefel oder Fe²⁺ Salzen zu gewinnen. Die Bezeichnung „Laugung“ leitet sich ab vom englischen „to leach“. (Mit Lauge im Sinne eines alkalischen pH-Wertes hat Bezeichnung aus der Technik nichts zu tun.) Das heute so genannten Bioleaching wird weltweit eingesetzt, um Kupfer, Gold und Uran zu gewinnen. Die Kupfer- und Urangewinnung durch mikrobielle Laugung hat große Bedeutung. In den USA wird ca. 10 % der gesamten Kupferproduktion durch leaching gewonnen. Andere Metalle (Zn, Ni, Pb u. a.) können in ähnlicher Weise gewonnen werden. Auch seltene Erden werden auf diese Weise isoliert. Beteiligte Bakterien: Die wichtigsten beteiligen Bakterien sind Temperatur und Säure liebend, sie können bis 70 Grad und noch bei pH 2 ihren Stoffwechsel durchführen. Sie sind stäbchenförmig und polar begeißelt. Die Stoffwechselprozesse laufen dabei an der äußeren Membran ab, die Metallionen gelangen also nicht in das Plasma der Zellen. Die geothermisch sehr langsam ablaufende Oxidation solcher Erze wird durch die Tätigkeit der Bakterien um das millionenfache beschleunigt. Die Abbildung fokussiert auf die Methode der Kupfergewinnung. Zementverfahrn der Kupferreinigung: Das auslaufende Sauerwasser wird mit Eisen versetzt. Das Eisen geht als Eisensulfat In Lösung, während Kupfer elementar ausfällt, das noch anschließend elektrolytisch gereinigt wird. Heute ist die Forschung sehr im Fluss, da große Lagerstätten zunehmend ausgebeutet werden und sich das leachingverfahren gut für Lagerstätten mit geringen Erzanteilen eignet. LIT: https://de.wikipedia.org/wiki/Bioleaching https://www.spektrum.de/lexikon/chemie/erzlaugung/3055 https://tu-freiberg.de/fakultaet2/bio/environmental-microbiology/forschungsprojekte/mikrobielle-laugung-bioleaching Bioleaching: http://de.wikipedia.org/wiki/Bioleaching (2010); Mikrobieller Erzabbau (2010): http://www.spaceship-earth.de/REM/Bergbau.htm ; Bausatz Phywe: http://www.phywe.de/index.php/fuseaction/download/lrn_file/ Versuchs Anleitungen/P1313900/d/13139_01.pdf; Winter, J. u. J. Mack (1984): Bakterien im Erzbergbau IN: UB 90, 38ff. https://de.wikipedia.org/wiki/Acidithiobacillus

Versuch 6

Bioleaching

Nach einem Versuchsansatz von

Dobler, Kl und H.Daumke Freiburg

Materialien: Schwefelkies (CuFeS₂), Geräte nach Abbildung

Sauerwasser: („9K-Medium“):

3g (NH₄)₂SO₄ -; 0,5g K₂HPO₄; 0,5g MgSO₄-7H₂O; 0,01g Ca (NO₃)₂; 0,1g KCl; 700ml Wasser, 1,0ml 10n H₂SO₄; 300ml FeSO₄-7 H₂O einer 14,74%igen Lösung, ph Wert auf 3 – 3,5 einstellen. (nach Bosecker (1982)

Nach: Mikrobielle Laugung IN: Präve, P u.a.: Handbuch der Biotechnologie, Wiesbaden;

Kupferteststäbchen (Merkoquant), pH- Papier, 50 ml einer 5% Thymol Lösung in Alkohol zum Abtöten der Bakterien.

Bakteriensuspension: Kostenlos zu beziehen: Deutsche Bakteriensammlung 38124 Braunschweig www.dsmz.de.

Versuchsaufbau:

Durchführung: Wegen des hohen Sauerstoffbedarfs muss ständig Luft eingeblasen werden. In die Erlenmeyer (1000ml) werden je 200g Eisenkies und 500ml Sauerwasser eingebracht. Die Temperatur wird im Wasserbad auf 37⁰ gehalten. Das verdunstete Wasser wird mit Leitungswasser auf eine zuvor gesetzte Markierung wieder aufgefüllt.

Ergebnisüberprüfung: Der pH-Wert von 3,5 sollte täglich überprüft werden.

Der Kupfergehalt wird täglich mit Kupfer-Test-Stäbchen (Merkoquant) gemessen. Das Verfahren erlaubt eine halbquantitative Aussage.

Nach 10 bis 15 Tagen kann aus der grünlich werdenden Sauerwasserlösung in einem Becherglas die Abscheidung von Kupfer an einem polierten Eisennagel nachgewiesen werden (Zementverfahren).
Man stellt eine Fehling2 Lösung und eine 5%ige Glucoselösung her.
Dann neutralisiert man etwas Test-Sauerwasser.
Wenn Kupferionen vorhanden sind, wird Kupferoxid rot ausfallen (Umkehrung der Fehling Probe auf Zucker).
Kontrollen:
A) Mit neutralisiertem reinem Sauerwasser unterbleibt die Reaktion.
B) Bei Zugabe von Kupferchlorid fällt Kupfer aus.

Weitere Tests:

Informationen

Chemische Umsetzungen

Im Wesentlichen sind zwei Bakterienarten beteiligt, die sich nur im Stoffwechsel unterscheiden lassen:

Thiobacillus ferrooxidans Fe²⁺ -----> Fe³⁺
Thiobacillus thiooxidans: S^o --------> SO₄^2-

Im Erzgesten laufen folgende Reaktionen (vereinfacht) ab:

Direkte Laugung:

Elementarer Schwefel und Fe²⁺ -Ionen dienen als Energielieferanten für die beteiligten Bakterien. Unlösliche Sulfide oder elementarer Schwefel werden dabei als Schwefelsäure in Lösung gebracht:

2 S + 3 O₂ + 2 H₂O ----> 2 H₂SO₄

und 4 FeSO₄ + O2 + H₂SO₄ ---- 2 Fe2(SO₄)₃ + H₂O

Die Bildung der Schwefelsäure fördert das Wachstum der acidophilen Bakterien, die ein Optimum bei pH 2 haben. Sauerstoff muss zugegen sein, dies macht in der Praxis bei der Belüftung des Erzes Probleme.

Liegen gleichzeitig Eisen und Kupfer vor (z. B. als Kupferkies CuFeS₂ oder als Cu₂S) laufen kompliziertere Reaktionen ab, unter anderen die folgende:

z.B. CuFeS₂ + 17 O₂ + H₂SO₄ -----> 4 Cu SO₄ + 2 Fe2(SO₄)₃+ H₂O

Indirekte Laugung:

Bei der direkten Laugung entstehen Fe³⁺ Ionen, die chemisch mit Metallsulfiden oder auch Uranoxid reagieren:

z. B.: 2 MeS + Fe₂(SO₄)₃ -----> MeSO₄ + 2 FeSO₄ + S

Auch auf Uranoxid U0₂ wird in eine lösliche Form überführt und ausgelaugt.

z. B.: UO₂ + Fe₂ (SO₄)₃ ----> UO₂SO₄+ 2 FeSO₄

Der entstehende Schwefel und die Fe³⁺-Ionen befördern wieder die direkte Laugung.

-- Wenn keine Fe²⁺Ionen oder keine oxidierbaren Schwefelverbindungen vorhanden sind, müssen Schwefel oder Fe²⁺₂(SO₄) mit dem Sauerwasser in die Gesteinslücken eingebracht werden.

Der hier geschilderte Versuch wurde mit Kupferkies (CuFeS₂) durchgeführt, da die Kupferionen farblich erkennbar sind und der Nachweis mit Kupferteststäbchen gut funktioniert.

Versuchsergebnisse:

Biotechnik: Bakterien und Leinenstoff

Was haben Bakterien mit Leinenstoffen zu tun?

Ursula Thumm

Die Leinpflanze Information: Es geht um die älteste Nutzpflanze der Menschheit, eine Pflanze mit der Bezeichnung, wie das der Name schon sagt „den höchst nutzbaren Lein“. (Linum usitassimum). Diese Pflanze kann ohne Bakterienmithilfe nicht als Kleidungsfaser verwendet werden Lein als vom Menschen angebaute Pflanze wurde schon für die Zeit 6000 Jahre vor Christus nachgewiesen. Aus den Früchten gewinnt man bis heute hochwertiges Öl, sie werden oft im Brot verbacken (Leinsamenbrot) oder dem Müsli zugegeben. Die Stängel enthalten besonders lange und haltbare Fasern, die zu Fäden versponnen und dann zu hochwertigen Stoffen gewebt werden. Im Mittelalter war Leinenbekleidung üblich. Deutschland war lange Zeit das wichtigste Anbaugebiet, heute sind es Belgien und Russland. Die Leinpflanze erlebt seit wenigen Jahren eine Renaissance wegen der vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten, der guten Trageeigenschaften und wegen der geringen Boden- und Klima- Ansprüche. Bei den vielzelligen Pflanzen werden die einzelnen Zellen durch eine Kittschicht miteinander „verklebt“. Beim Lein sind die festigenden Elemente (Sklerenchymzellen) besonders lang und elastisch, sie sind umgeben von kleineren Zellen (Mesenchymzellen), welche die Querstabilität bewirken. Die Leinpflanze wurde schon früh auf hohen Wuchs gezüchtet, umn lange Fasern zu erhalten: Faserlein, der 80 bis 120 cm hoch wächst. Im Gegensatz dazu hat der Öllein kürzere Stängel, dafür aber viele Verzweigungen mit mehr Blüten und einer sehr viel höheren Anzahl von ölhaltigen Samen. Leinöl ist eines der gesündesten Öle für die Küche. Fasergewinnung: Die Abschnitte sind: Aussaat – Wachstum - Ernte – trocknen – rösten – brechen – hecheln – spinnen – weben – fertiger Leinenstoff. Die Hilfe der Bakterien besteht darin, dass die getrockneten Stängel Regenwetter ausgesetzt (oder technisch befeuchtet) werden. Die überall vorhandenen Fäulnisbakterien nutzen den Kitt zwischen den Zellen für ihren Stoffwechsel. Der Zellkitt wird leichter abgebaut als Zellulose (Fasern) (Beweis: verrottendes Holz kann man zuerst zerbröseln: die Zellen lösen sich aus dem Verband). Die Kunst beim Lein besteht darin, den Fäulnisprozess durch leichtes Erhitzen zu unterbinden (Rösten), solange die Zellulose noch nicht angegriffen wird. Im nachfolgenden Brechen werden durch Verbiegen der Stängel die langen Fasern weiter freigesetzt, die kurzen Leitbündel (Zellulose) lockern sich und lassen sich beim anschließenden Hecheln auskämmen. Man erhält auf diese Weise mit der entscheidenden Hilfe der Fäulnisbakterien die (fast reinen) langen, biegsamen und elastischen Fasern. LIT: Dambroth, M, u. R. Seehuber 1988: Flachs: Züchtung, Anbau und Verarbeitung Ulmer; Gesamtverband LEINEN http://www.gesamtverband-leinen.de/ Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Leinen Wikipedia: http://www.heilpflanzen-welt.de/kraeutergarten/2007-07-Das-natuerliche-Multi-Talent-Lein.htm http://www.natur-lexikon.com/Texte/MZ/003/00260-Flachs/MZ00260-Lein.html ; Brunner, Ulrich1961: der Flachs NIU B2 29, 77ff; https://de.wikipedia.org/wiki/Gemeiner_Lein https://www.oekolandbau.de/index.php?id=18494

Versuch 7

Besonderheiten der Stängel bei der Leinpflanze

Man braucht:

Einige frische Leinpflanzen, getrocknete Leinstängel;

Mikroskop, Objektträger, Deckgläschen

Herstellung eines Querschnitts durch den Stängel

1.    Schneide ein Stück von etwa 4 cm vom Stängel ab.
2.    Stelle mit der Rasierklinge eine möglichst ebene Fläche her,
3.    Befeuchte die Oberfläche mit einem Wassertropfen;
4.    Führe nun mit einer Rasierklinge einen möglichst dünnen Schnitt an der Oberfläche vorbei. Es genügt, wenn du nur einen Teil des Querschnitts schneidest. Achte darauf, dass die Oberfläche immer von Wasser bedeckt ist;
5.    Übertrage nun den Schnitt auf einen Objektträger mit einem Wassertropfen.
6.    Lege ein Objektgläschen auf. Achte darauf, dass möglichst wenig Luftblasen im Wasser sind!
7.    Fertige eine möglichst genaue Zeichnung von einem sehr kleinen Teil deines Präparates an, nimm die Zeichnung zur Hilfe!