Пречистете отпадъчните води с гъбични ензими
Все повече химикали влизат във водния цикъл, който обичайните етапи на пречистване на пречиствателните станции не могат да се филтрират. Следователно изследователска група разработва нов филтър, базиран на гъбични ензими, който помага за разграждането на ксенобиотиците.
Повече от 9000 обществени пречиствателни станции в Германия гарантират, че отпадъчните води се почистват биологично и че местните води са замърсени възможно най-малко с азотни съединения. Все повече и повече така наречени ксенобиотици, т.е. химически синтезирани съединения, които не се срещат в природата, се намират в битовите и промишлените отпадъчни води. Те включват много селскостопански химикали, лекарства или рентгенови контрастни среди, както и промишлени химикали като бисфенол А.
Биокатализатори вместо активен въглен и озон
Понастоящем повечето пречиствателни станции работят с три етапа на пречистване: първо грубите и след това все по-фини замърсители като пясък и мазнини се отстраняват механично. Следва биологично избистряне, при което микроорганизмите разграждат органичните вещества - по-специално азотните съединения. Надолу по течението е третият, химически етап на почистване, при който се утаяват вещества като фосфат. Ксенобиотиците трудно или изобщо не могат да бъдат отстранени в конвенционалните пречиствателни станции. Точно тук влиза проектът "Xenokat" от Анет Вернер, ръководител на работната група за ензимни технологии в Техническия университет в Дрезден. "Винаги говорим за микроелементи, но всъщност няколко тона от болкоуспокояващия диклофенак попадат във водата чрез така наречената чиста вода всяка година, три етапа на почистване не са достатъчни", казва Вернер.
Според Вернер от известно време се обсъжда четвърти етап на пречистване на пречиствателни станции. „Вече има подходи с използване на активен въглен или озониране, но те имат лош екологичен баланс и не могат да направят всичко“, казва Вернер. Поради това биотехнологът искаше да допълни проблема с филтърна технология, базирана на имобилизирани ензими. Федералното министерство на образованието и научните изследвания (BMBF) ги подкрепи в конкурса за идеи „Нови продукти за биоикономиката“. Съвместният проект "Xenokat" се финансира от май 2017 г. с общо около 676 000 евро.
Метални кухи сфери като носители
Като материал носител за почистващите ензими, екипът на Вернер разчита на кухи метални сфери с размер на грах, създадени като част от друг изследователски проект на BMBF. „Търсихме приложения за тези кухи сфери и именно там влезе в действие втората ни опора в работната група: ензимите от гъбички от бяло гниене“, казва Вернер. Като част от деветмесечна проучвателна фаза, за която BMBF допринесе 60 000 евро, тя привлече експерти по аналитика от Федералния институт по хидрология на борда. Тя също успя да спечели биотехнологичната компания ASA Spezialenzyme GmbH като индустриален партньор.
Метални кухи топчета с размер на грахово зърно служат като носител на ензими от гъбички от бяло гниене. В нов етап на пречистване, гъбичните ензими трябва да филтрират ксенобиотиците, които се срещат във все по-големи количества, от чистата вода.
Комплексни компетенции
Партньорите представиха съвместно проект на конкурса за идеи „Нови продукти за биоикономиката“. След успешна оценка, изследователите от Дрезден вече имат право да оставят идеята си да узрее допълнително във фазата на осъществимост от две години. „Много колеги бяха кандидатствали през предишни години и ми препоръчаха конкурса за идеи. Освен това съм ентусиазиран от много ясния процес на кандидатстване “, казва Вернер. „Това, което със сигурност ни помогна успешно да подадем заявлението, беше обединяването на компетенции.“
Гъбичните ензими могат да разбият ксенобиотиците
Вернер е специалист в извличането и производството на ензими от гъбички, така наречените Базидиомицети. Това включва и унищожаващите дървото гъби от бяло и кафяво гниене. Тези базидиомицети са единствените, които могат да разделят лигнин от дървесна маса. Вернер познава културните условия, при които гъбите произвеждат ензимите и ги освобождават в околната хранителна среда. Екипът на Вернер се интересува особено от така наречените лакази, пероксидази и пероксигенази. Тези ензими са способни да разрушават химични съединения с пръстеновидна структура. Това прави тези биокатализатори идеални за разграждането на ксенобиотиците от отпадъчните води.
Смес от 70 вещества в теста за разграждане
В лабораторията способностите на лаказите се тестват със смес от аналити, която съдържа 70 различни вещества, включително хранителни добавки, лекарства и продукти от тяхната трансформация. „Можете да го възприемате като вид филтърна колона“, казва Вернер. След това изследователите добавят ензимите, приложени към кухи метални сфери, към сместа от аналити и изследват процеса на разграждане. „Получаваме подкрепа и от Stadtentwässerung Dresden, от която получихме големи количества дренаж и данни. Това ни позволява да тестваме потенциала за разграждане на ензимите рано в реални условия “, обяснява Вернер.
Свържете ензимите към металните топки
Обездвижването на ензимите върху металните топки е много важна стъпка, без която лаказите в отпадъчните води просто биха се отмили. Но първите контролни тестове вече показаха колко сложна е тази съществена стъпка: „За да контролираме колко ефективно нашите лакази разграждат замърсителите, ние използвахме различни собствени и търговски ензими за сравнение. Но ензимите са чувствителни и някои вече не са били активни след обездвижване “, обяснява Вернер.
След много бърникане, Вернер и нейният екип най-накрая успяха да вградят ензимите в матрица. След това тази смес може да се нанесе много тънко върху металните повърхности. Целта на ензимните зърна с гъбичните лакази е биоактивното покритие да продължи няколко седмици. „Тогава металните тела на носача могат да бъдат отстранени, термично почистени и накрая повторно покрити. Този обмен трябва да продължи само няколко часа ”, казва Вернер.
Първи практически тест в пречиствателната станция
Преди това да се случи обаче, все още има два основни етапа: В края на тази година в Дрезден ще се проведе семинар с експерти по темата, в който ще бъдат обсъдени следващите стъпки. Освен това през есента на 2018 г. в пречиствателна станция за пречистване на отпадъчни води в Дрезден трябва да бъде инсталиран малък филтър с метални носители и ензими. Според Вернер това „тогава ще бъде първият малък практически тест. Искаме да видим как се държат топките и колко дълго ензимите са наистина активни. “Все още са необходими много технически разработки, преди да могат да бъдат използвани в големи общински пречиствателни станции, казва Вернер. Декларираната цел на всички партньори по проекта е да насърчат развитието на биологична технология за четвъртия етап на пречистване и специални отпадъчни води в последващ проект. Трябва да се има предвид и комбинацията от различни методи.