Purificați apele uzate cu enzime fungice
Din ce în ce mai multe substanțe chimice intră în ciclul apei pe care etapele obișnuite de purificare a stațiilor de epurare nu le pot filtra. Prin urmare, un grup de cercetare dezvoltă un nou filtru bazat pe enzime fungice care ajută la descompunerea xenobioticelor.
Peste 9.000 de stații publice de tratare a apelor uzate din Germania asigură curățarea biologică a apelor uzate și apele locale sunt poluate cât mai puțin posibil cu compuși azotați. Cu toate acestea, tot mai multe așa-numitele xenobiotice, adică compuși sintetizați chimic, care nu apar în natură, se găsesc în apele uzate menajere și industriale. Acestea includ multe substanțe chimice agricole, medicamente sau substanțe de contrast cu raze X, precum și substanțe chimice industriale, cum ar fi bisfenolul A.
Biocatalizatori în loc de cărbune activ și ozon
Majoritatea stațiilor de epurare funcționează în prezent cu trei etape de purificare: mai întâi, impuritățile grosiere și apoi divizate din ce în ce mai fin, cum ar fi nisipul și grăsimea, sunt îndepărtate mecanic. Aceasta este urmată de o clarificare biologică, în care microorganismele descompun substanțele organice - în special compușii cu azot. În aval este a treia etapă de curățare chimică, în care sunt precipitate substanțe precum fosfatul. Xenobioticele pot fi îndepărtate cu greu sau deloc în stațiile de epurare convenționale. Exact aici intervine proiectul „Xenokat” de Anett Werner, șeful grupului de lucru pentru tehnologia enzimelor de la Universitatea Tehnică din Dresda. „Vorbim întotdeauna despre substanțe urme, dar de fapt câteva tone de analgezic diclofenac intră în apă prin așa-numita apă limpede în fiecare an, trei etape de purificare nu sunt suficiente”, spune Werner.
Potrivit lui Werner, o a patra etapă de purificare pentru stațiile de epurare a fost discutată de ceva timp. „Există deja abordări care utilizează cărbune activ sau ozonare, dar acestea au un echilibru ecologic prost și nu pot face totul”, spune Werner. Prin urmare, biotehnologul a dorit să completeze problema cu o tehnologie de filtrare bazată pe enzime imobilizate. Ministerul Federal al Educației și Cercetării (BMBF) i-a susținut în cadrul competiției de idei „Produse noi pentru bioeconomie”. Proiectul comun „Xenokat” a fost finanțat din mai 2017 cu un total de aproximativ 676.000 de euro.
Sferele goale metalice ca suporturi
Ca material purtător pentru enzimele de curățare, echipa lui Werner se bazează pe sfere metalice goale de dimensiunea unui bob de mazăre care au fost create ca parte a unui alt proiect de cercetare BMBF. „Am căutat aplicații pentru aceste sfere goale și de aici a intrat în joc al doilea pilon principal al grupului de lucru: enzimele din ciupercile de putregai alb”, spune Werner. În cadrul unei faze exploratorii de nouă luni, pentru care BMBF a contribuit cu 60.000 de euro, ea a adus la bord experți în analize de la Institutul Federal pentru Hidrologie. De asemenea, a reușit să câștige compania de biotehnologie ASA Spezialenzyme GmbH ca partener industrial.
Bilele goale, metalice, de dimensiuni de mazăre, servesc drept material purtător pentru enzime din ciuperci de putregai alb. Într-o nouă etapă de purificare, enzimele fungice ar trebui să filtreze xenobioticele din apa limpede, care apar în cantități din ce în ce mai mari.
Competențe combinate
Partenerii au trimis împreună o schiță a proiectului pentru concursul de idei „Produse noi pentru bioeconomie”. După o evaluare reușită, cercetătorilor de la Dresda li se permite acum să își lase ideea să se maturizeze în continuare în faza de fezabilitate de doi ani. „Mulți colegi au candidat în anii precedenți și mi-au recomandat concursul de idei. Și sunt, de asemenea, entuziasmat de procesul de aplicare foarte simplu ”, spune Werner. „Ceea ce ne-a ajutat cu siguranță să depunem cu succes cererea a fost gruparea de competențe.”
Enzimele fungice pot sparge xenobiotice
Werner este specialist în extracția și producerea de enzime din ciuperci, așa-numitele Basidiomicete. Aceasta include și ciupercile de putregai alb și maro care distrug lemnul. Acești basidiomiceti sunt singurii capabili să împartă lignina din pasta de lemn. Werner cunoaște condițiile de cultură în care ciupercile produc enzimele și le eliberează în mediul nutritiv din jur. Echipa lui Werner este interesată în special de așa-numitele lacase, peroxidaze și peroxigenaze. Aceste enzime sunt capabile să spargă compușii chimici cu o structură inelară. Acest lucru face ca acești biocatalizatori să fie ideali pentru descompunerea xenobioticelor din apele uzate.
Amestec de 70 de substanțe în testul de degradare
În laborator, abilitățile lacazelor sunt testate cu un amestec de analit care conține 70 de substanțe diferite, inclusiv aditivi alimentari, medicamente și produsele lor de transformare. „Vă puteți gândi la asta ca la un fel de coloană de filtrare”, spune Werner. Cercetătorii adaugă apoi enzimele aplicate sferelor metalice goale la amestecul de analit și examinează procesul de degradare. „De asemenea, primim sprijin de la Stadtentwässerung Dresden, de la care am primit cantități mari de drenaj și date. Acest lucru ne permite să testăm potențialul de degradare al enzimelor într-un stadiu incipient în condiții reale ”, explică Werner.
Conectați enzimele la bilele metalice
Imobilizarea enzimelor pe bilele metalice este un pas foarte important, fără de care lacazele din apele uzate ar fi pur și simplu spălate. Totuși, primele teste de control au arătat deja cât de complex este acest pas esențial: „Pentru a controla cât de eficientă este degradarea poluanților de către lacazele noastre, am folosit diferite comparații enzime proprietare și disponibile comercial. Dar enzimele sunt sensibile, iar unele nu mai erau active după imobilizare ”, explică Werner.
După o mulțime de jocuri, Werner și echipa ei au reușit în cele din urmă să încorporeze enzimele într-o matrice. Acest amestec ar putea fi apoi aplicat foarte subțire pe suprafețele metalice. Scopul perlelor enzimatice cu lacazele fungice este ca învelișul bioactiv să dureze câteva săptămâni. „Apoi corpurile purtătoare metalice pot fi îndepărtate, curățate termic și în cele din urmă acoperite. Acest schimb ar trebui să dureze doar câteva ore ”, spune Werner.
Primul test practic în stația de epurare
Cu toate acestea, înainte ca acest lucru să se întâmple, există încă două repere majore: la sfârșitul acestui an, va avea loc la Dresda un atelier cu experți pe această temă, în care vor fi discutați pașii următori. În plus, în toamna anului 2018 va fi instalat un mic filtru cu substanțe purtătoare metalice și enzime într-o stație de tratare a apelor uzate din Dresda. Potrivit lui Werner, acesta ar fi „atunci un prim mic test practic. Vrem să vedem cum se comportă bilele și cât timp enzimele sunt cu adevărat active. ”Cu toate acestea, multe dezvoltări tehnice sunt încă necesare înainte de a putea fi utilizate în stațiile mari de epurare a apelor uzate municipale, spune Werner. Scopul declarat al tuturor partenerilor de proiect este de a avansa dezvoltarea tehnologiei bio-bazate pentru a patra etapă de tratare și a apelor uzate speciale într-un proiect de urmărire. Ar trebui luată în considerare și combinația de metode diferite.