Puebla del Guzman (Andalusien)/ Magdeburg. Der Guadiana-See im ehemaligen Herrerias-Tagebau in Andalusien hat im Tiefenwasser hohe Konzentrationen von Kohlendioxid angesammelt, welche bei einer plötzlichen Freisetzung Menschen in der Nähe gefährden können. Wissenschaftler des Spanischen In-stituts für Geologie und Bergwesen (IGME), der University of the Basque Country (UPV/EHU, Bilbao) und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben nun eine Pilotanlage zur Entgasung installiert, um die Gefahr zu demonstrieren und eine mögliche Lösung aufzuzeigen.

„Das Wasser am Grund des Guadiana-Restsees enthält ungewöhnlich viel Kohlendioxid (CO2), weil durch die Oxidation von Erzen ein sehr saures Milieu entstanden ist. Ein Problem, das auch aus den Tagebaurestseen der Lausitz und Mitteldeutschlands bekannt ist. Im Herrerias-Tagebau löst die Säure Karbonat aus dem Gestein, und es entsteht Kohlensäure (also gelöstes CO2), die sich in tiefen Schichten des Wassers ansammelt, weil der See unterhalb von 25 Metern Tiefe kaum durchmischt wird“, erklärt Dr. Bertram Boehrer vom UFZ. Der Physiker untersucht seit Jahren die Schichtungen in Seen weltweit. Durch den Wasserdruck in diesen Tiefen enthält jeder Liter Tiefenwasser etwa 2,5 Liter gelöstes Kohlendioxid. Solange die Wasserschichten stabil sind, wird das Gas in der Tiefe gehalten. Ein Erdrutsch oder andere Prozesse, die große Wasserbewegungen auslösen, können aber dafür sorgen, dass eine große Menge des unter Druck angestauten Gases plötzlich freigesetzt wird. In der Atemluft gelten CO2-Konzentrationen ab acht Prozent für den Menschen als tödlich.

Die Wissenschaftler installierten daher ein Entgasungsrohr, das den Kern der neuen Pilotanlage bildet. Diese funktioniert folgendermaßen: Wasser fließt in 61m Tiefe in eine Röhre. Auf dem Weg nach oben fällt der hydrostatische Druck und das gelöste Gas bildet Blasen. Die geringere Dichte des Wasser-Gas-Gemisches sorgt dafür, dass es nach oben aus dem Rohr gedrückt wird, sich so das Tiefenwasser als Springbrunnen über die Oberfläche ergießt und dabei das Gas frei gibt. Eine elegante Lösung, schließlich braucht man keinen zusätzlichen Antrieb, und die kontrolliert freigesetzten Gasmengen stellen keine Gefahr dar. „Wir konnten damit zeigen, dass dieser Ansatz im Guadiana-See funktioniert und damit den Behörden einen Vorschlag unterbreiten, wie dieser See saniert und eine Bedrohung beseitigt werden könnte“, berichtet Bertram Boehrer. Zwar ist der See in der ehemaligen Erz-Mine abgesperrt und der Zutritt verboten, das Verbot lässt sich aber kaum überwachen.

Als Vorbild für die Installation in Spanien diente die Entgasung des Nyos-Sees in Kamerun. Dort wurde vor wenigen Jahren von anderen Wissenschaftlern eine vergleichbare Technologie erprobt. Im August 1986 hatten sich dort ohne Vorwarnung große Mengen an Kohlendioxid plötzlich aus dem Wasser gelöst und waren in die umliegenden Täler geströmt. Etwa 1700 Menschen und Tausende Tiere starben. Als Auslöser wurde ein Erdrutsch vermutet. Um einer Wiederholung einer solchen Katastrophe vorzubeugen, wird diesem See langsam seine hohe Gasladung entzogen. An einem weiteren Kratersee, dem Monoun-See in Kamerun, erstickten1984 37 Anwohner in Ufernähe bei einem ähnlichen Ausbruch. Inzwischen wird auch dort das Kohlendioxid per Fontaine aus dem See entfernt.
Vom Guadiana-Restsee drohe aber nicht dieselbe Gefahr wie vom Nyos- und vom Monoun-See. Das liegt allein schon an unterschiedlicher Größe und Tiefe, außerdem vermindert ein großer Dichteunterschied zwischen Tiefenwasser und Oberflächenwasser die Gefahr für einen Ausbruch. Allerdings seien die Gaskonzentrationen so hoch, dass Vorsicht und eine angemessene Besorgnis angebracht sind und genauere Beobachtungen der Entwicklung und Überlegungen zur Sanierung dringend unternommen werden müssen, schlussfolgert Bertram Boehrer. Für deutsche Tagebauseen sieht der Wissenschaftler dagegen keine derartige Gefahr. Denn für Gaskonzentrationen wie im spanischen Guadiana-See sind drei Faktoren verantwortlich: eine ausreichende Tiefe des Sees, eine fehlende Zirkulation des Wassers zwischen den kalten und warmen Jahreszeiten (Meromixis) und eine starke Quelle für Kohlendioxid. Das ist im Moment bei keinem See in Deutschland so gegeben. Tilo Arnhold

Publikation
Sánchez-España, J., Boehrer, B., Yusta, I. (2014): Extreme carbon dioxide concentrations in acidic pit lakes provoked by water/rock interaction. Environ. Sci. Technol. 48 (8), 4273 – 4281. 7
http://dx.doi.org/10.1021/es5006797

Weitere Informationen
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Dr. Bertram Boehrer
Telefon: 0391-810-9441

Weiterführende Links
Proyecto de Investigación en Corta Guadiana (auf spanisch):
http://www.asociacionherrerias.com/es/noticias/a%C3%B1o-2014/291-proye
Untersuchungen zur Schichtungsentwicklung und komplexe Schichtungsmodellierung in Tagebauseen
http://www.ufz.de/index.php?de=1797
Auswirkungen des Klimawandels auf Seen
http://www.ufz.de/index.php?de=17265
Nyos-See
http://de.wikipedia.org/wiki/Nyos-See
Zähmung eines Killersees (ARD-Beitrag über den Nyos-See in Kamerun)
http://www.daserste.de/information/wissen-kultur/w-wie-wissen/videos/zaehmung-eines-killersees-104.html
Monoun-See
http://de.wikipedia.org/wiki/Manoun-See

Hydrothermale Prozesse (HTP) wandeln wassereiche, biogene Reststoffe in flüssige, feste oder gasförmige Kohlenstoffträger um. Ihre weiterveredelten Produkte weisen, z. B. als Plattformchemikalie, biogener Kohlenstoff oder als Energieträger ein breites Anwendungspotenzial auf. Mit einer kostenfreien Auftaktveranstaltung im Rahmen der Energiefachmesse enertec/TerraTec startete das DBFZ am 28. Januar 2015 das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierte „Innovationsforum Hydrothermale Prozesse“.

Das wirtschaftliche Interesse an hydrothermalen Prozessen ist groß. Für eine bio-basierte Wirtschaft können hydrothermale Prozesse, kurz HTP, eine Schlüsseltechnologie bilden. So fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Initiative „Unternehmen Region“ das Innovationsforum Hydrothermale Prozesse in einem Zeitraum vom 1. Januar bis zum 30. Juni 2015. Ziel des vom DBFZ koordinierten Vorhabens ist der Aufbau eines Netzwerkes zukunftsorientierter Unternehmen, angewandter Forschung und zielgerichteter Investoren, um die HTP-Technologie in den Märkten zu etablieren. Das Innovationsforum richtet sich an die Ent- und Versorgungsbranche, Biomasseverarbeiter, die (biogenen) Kohlenstoff veredelnde Industrie, an Vertreter der Energiewirtschaft, Chemiebranche und aller mit ihr verbundenen Bereiche.

Während der kostenfreien Auftaktveranstaltung zum „Innovationsforum Hydrothermale Prozesse“ am 28. Januar 2015 auf der Energiefachmesse enertec/TerraTec in Leipzig werden marktfähige Wertschöpfungsketten erörtert, verschiedene Impulsvorträge präsentieren darüber hinaus das breite Anwendungspotenzial der Verfahren. Im Mai dieses Jahres wird ein zweitägiges Treffen des Innovationsforums für hydrothermale Prozesse in Leipzig die bis dahin entwickelten Anwendungsfelder vorstellen und eine Plattform zum Aufbau konkreter Projektgemeinschaften bilden. Das entstehende Netzwerk soll eine wissensbasierte Basis zur wirtschaftlichen Lösung aktueller Fragestellungen bieten.

Innovationsforum Hydrothermale Prozesse –
Wertschöpfung aus wasserreicher und schlammiger Biomasse

Weitere Informationen unter: www.dbfz.de/htp

Eine Kooperation zwischen der Universität Konstanz und dem Max-Planck-Institut in Bremen entdeckt die bedeutende Rolle von Nitrat beim Methan-Abbau

Eine hohe Nitratkonzentration führt dazu, dass Gewässer überdüngt werden. In einem nitratarmen „sauberen“ See wie dem Bodensee spielt Nitrat hingegen eine wichtige Rolle bei der Stoffumsetzung. Ein Forschungsteam der Universität Konstanz und des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen hat herausgefunden, dass der Pflanzennährstoff Nitrat entscheidend zur Oxidation von Methan beiträgt, das im Sediment des Sees produziert wird. Durch den Oxidationsprozess wird verhindert, dass Methan in großen Mengen in die Atmosphäre entweicht, wo es als starkes Treibhausgas wirkt. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Ausgabe Dezember 2014 des renommierten Wissenschaftsjournals PNAS veröffentlicht.

An manchen Stellen des Bodensees ist zu beobachten, wie Bläschen an die Oberfläche steigen. Das ist ein Gemisch aus Kohlendioxid und Methan. Es wird als Endprodukt des Abbaus von Algenzellen und anderen Bestandteilen im Sediment des Sees produziert. „Wenn das System jedoch nicht gestört wird, wird das Methan noch im Sediment wieder oxidiert“, erklärt Prof. Dr. Bernhard Schink den Vorgang. Methan ist als Treibhausgas 25-mal so wirksam wie Kohlendioxid (CO2). Bislang ging man davon aus, dass dieser Oxidationsprozess im Wesentlichen sauerstoffabhängig ist. Der Professor für Limnologie und Mikrobielle Ökologie an der Universität Konstanz kam gemeinsam mit dem Bremer Fachkollegen Dr. Peter Stief, dem ehemaligen Konstanzer Nachwuchswissenschaftler Dr. Jörg Deutzmann und der Konstanzer Biologiestudentin Josephin Brandes zu dem Ergebnis, dass im Bodensee Nitrat an der Methanoxidation einen deutlich größeren Anteil hat als Sauerstoff. „Das eigentlich Überraschende an unserem Befund war, dass die relativ niedrige Nitratkonzentration im Bodensee ausreicht für den weitreichenden Abbau von Methan“, so Bernhard Schink.

Dass Methan durch Sauerstoff oxidiert und damit abgebaut wird, gilt seit rund hundert Jahren als die „klassische Methanoxidation“. In den vergangenen Jahren sind mehrere Prozesse entdeckt worden, bei denen Methan auch ohne Sauerstoff oxidiert wird. Dieser nitratabhängige Prozess wurde lange übersehen, weil er im Sediment auf kleinstem Raum mit dem sauerstoffabhängigen Prozess stattfindet. „Um das auseinanderzuhalten, sind hochauflösende Elektroden nötig, mit denen sich diese verschiedenen im Wasser gelösten Verbindungen im Größenbereich von Zehntelmillimetern unterscheiden lassen“, so Bernhard Schink. So wurden die Nitratmessungen mit den Messgeräten des Bremer Max-Planck-Instituts durchgeführt. Von der Konstanzer Gruppe wurden die Sauerstoff- und Methanmessungen vorgenommen und der hochauflösende molekularbiologische Nachweis der nitratreduzierenden und methanoxidierenden Bakterien erbracht.

Es gibt eine ganze Reihe mikrobieller Prozesse, die seit zehn bis zwanzig Jahren bekannt und die für die Stoffumsetzung in den Meeren in Wechselwirkung mit der Atmosphäre bedeutsam sind. Dass sie nun entdeckt werden, liegt sowohl an den verbesserten Messtechniken als auch an den Fortschritten in der Mikrobiologie. „Es zeigt, wie viel Vorsicht nötig ist bei der Beurteilung von globalen Stoffumsatzrechnungen“, so der Mikrobiologe Bernhard Schink. „Auch heute gibt es sicherlich noch viele Prozesse, die wir nicht kennen und in die Modellrechnung nicht einbeziehen können. Das Bild kann sich innerhalb von wenigen Jahren dramatisch wandeln.“

Joerg S. Deutzmann, Peter Stief, Josephin Brandes, and Bernhard Schink: Anaerobic methane oxidation coupled to denitrification is the dominant methane sink in a deep lake, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 18273-18278 (2014) http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1411617111

Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de

Prof. Dr. Bernhard Schink
Universität Konstanz
Fachbereich Biologie
Universitätsstraße 10
78464 Konstanz
Telefon: +49 7531 88-2140
E-Mail: bernhard.schink@uni-konstanz.de

Erlanger Bioverfahrenstechniker entwickeln Anlage zum Recycling von Seltenen Erden

ERLANGEN – Der nachhaltige Umgang mit Rohstoffen ist ein zentrales Thema in der Debatte um erneuerbare Energien. Besondere Rohstoffe dabei sind sogenannte Seltene Erden. Ein Team von Erlanger Biotechnologen versucht, sie mit Hilfe von Algen aus Abwasser zurückzugewinnen.
Genau genommen stimmt der Name „Seltene Erden“ hinten und vorne nicht. Denn das seltenste Mitglied der Gruppe

http://www.nordbayern.de/2.242/2.240/algen-sollen-wertvolle-rohstoffe-fangen-1.4165024?searched=true
 

Wissenschaftler am Potsdamer Leibniz-Institut für Agrartechnik konnten zeigen, dass sich mithilfe von anaeroben Mikroorganismen im Biogasprozess auch komplexe organische Schadstoffe verwerten lassen. Phenole, Furane, Aldehyde und Ketone, die häufig in den flüssigen Nebenprodukten aus der thermochemischen Umwandlung von Biomasse auftreten, lassen sich einfach und effektiv zu Biomethan abbauen. Damit ist die Grundlage geschaffen, um Verkohlungsprozesse wie die Hydrothermale Karbonisierung (HTC) und die Pyrolyse nachhaltig und effizient in Bioraffinerien einzugliedern. Die Ergebnisse wurden soeben in der renommierten Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ veröffentlicht.

Die Verfahren zur Herstellung von Stoffen und Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen beruhen in der Regel auf biologischen oder thermochemischen Prozessen. Letztere bieten den Vorteil einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit. Bei Temperaturen von 250°C und mehr lassen sich organische Verbindungen, auch biologisch nur schwer abbaubare wie Lignin, rasch aufschließen. Thermochemische Prozesse sind jedoch sehr unspezifisch in der Produktbildung: Neben den gewünschten Wertstoffen fallen auch mehr oder weniger problematische organische Nebenprodukte an. Dies verringert die Ausbeute und verursacht zusätzliche Kosten für die Abwasserreinigung.

Die Forscher der am ATB ansässigen Nachwuchsgruppe APECS widmeten sich in ihrer Arbeit den flüssigen Nebenprodukten aus der thermochemischen Umwandlung von Biomasse. Untersucht wurden Abwässer aus der HTC sowie aus der Pyrolyse. Beide Prozesse sind vielseitig anwendbar und lassen eine hohe Relevanz in zukünftigen Bioraffineriekonzepten erwarten. Das Problem bisher: Diese Prozesse erzeugen Abwässer, die eine hohe Belastung mit diversen Schadstoffen wie Phenole, Furane, Aldehyde und Ketone aufweisen.

Hauptprodukt beider Prozesse ist Biokohle, ein kohlenstoff- und energiereicher Feststoff, der als Energieträger Verwendung finden kann, aber auch für eine Reihe weiterer Anwendungsbereiche geprüft wird – von der Bodenverbesserung bis zur Elektrotechnik. Nebenprodukte bei der Pyrolyse sind das sogenannte Syngas, ein energetisch gut verwertbares Gas, sowie ein Kondensat aus flüchtigen Verbindungen, für das es gegenwärtig noch keine ideale Nutzung gibt. Bei der HTC fällt insbesondere eine flüssige Substanz an, die reich ist an verschiedenen organischen und mineralischen Verbindungen. Beide Abwässer erfordern eine gründliche Aufbereitung, bevor sie zurück in die Umwelt gelangen.

In ihrem in der Fachzeitschrift „Bioresource Technology“ erschienenen Artikel berichten die Potsdamer Forscher über die erfolgreiche anaerobe biologische Umwandlung wasserlöslicher Pyrolysekondensate in Labortests.

Die Kondensate stammten aus der Verkohlung von Gärresten von der Biogasproduktion durch Pyrolyse bei Temperaturen von 330 bis 530°C. Ein Großteil der organischen Verbindungen konnte im Biogasprozess zum energiereichen Biomethan ab- bzw. umgebaut werden. Nach der biologischen Behandlung waren die untersuchten toxischen Verbindungen 5-HMF, Furfural, Phenol, Catechol und Guajacol nicht mehr nachweisbar. Eine Ausnahme bildete Kresol, das immerhin um 10 bis 60 % reduziert werden konnte.
Starken Einfluss zeigte die Pyrolysetemperatur: je höher die Temperatur bei der Verkohlung ist, desto weniger organische Substanz ist abbaubar. So führte eine Erhöhung der Pyrolysetemperatur von 330°C auf 530°C dazu, dass statt 57% nur noch 37% des als chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) ausgewiesenen Gesamtgehalts an organischen Stoffen abgebaut werden konnten.

„Unsere Ergebnisse zeigen die vielfältigen Möglichkeiten, wie thermochemische Prozesse wie die Pyrolyse und die HTC synergetisch mit der Biogaserzeugung verschaltet werden können“, unterstreicht Projektleiter Dr. Jan Mumme den Mehrwert dieser Verfahrenskombination. „Neben der Biokohle kann so zusätzlich Energie in Form von Biogas gewonnen werden“, ergänzt Nachwuchswissenschaftler Tobias Hübner. „Die Kopplung thermochemischer und biologischer Verfahren im Sinne einer Bioraffinerie ist gegenwärtig ein stark beforschtes Thema. Mit unseren Arbeiten möchten wir einen wichtigen Beitrag für die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit dieser Systeme zu leisten“, so Mumme.

Dass sich Abwässer aus der HTC gut als Ausgangsstoff für die Biogasgewinnung eignen konnten die APECS-Wissenschaftler bereits 2013 belegen. In weiteren Arbeiten zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Chemische Technologie ICT Pfinztal gelang es zudem, einzelne Stoffe mittels NIR-Technik in der HTC-Flüssigkeit zu erfassen – eine wichtige Grundlage, um die Umwandlungsprozesse gezielt in Richtung gewünschter Produkte zu lenken.

Die Projektgruppe „APECS – Anaerobic Pathways to Renewable Energies and Carbon Sinks“ wurde von 2009 bis Ende 2014 vom BMBF im Rahmen von „Bioenergie 2021″ gefördert. Projektleiter Dr. Jan Mumme arbeitet gegenwärtig als Gastwissenschaftler am UK Biochar Research Center der University of Edinburgh.

Literatur:
Hübner, T., Mumme, J. (2015): Integration of pyrolysis and anaerobic digestion – use of aqueous liquor from digestate pyrolysis for biogas production. Bioresource Technology, DOI: 10.1016/j.biortech.2015.02.037

Wirth, B., Mumme, J. (2013): Anaerobic digestion of waste water from hydrothermal carbonization of corn silage. Applied Bioenergy 1, 1-10. Online verfügbar unter: http://tinyurl.com/oqwrksp

Reza, M.T., Becker, W., Sachsenheimer, K., Mumme, J. (2014): Hydrothermal carbonization (HTC): Near infrared spectroscopy and partial least-squares regression for determination of selective components in HTC solid and liquid products. Bioresource Technology 161, 91-101. Online verfügbar unter: http://tinyurl.com/lhm7op2

Kontakt:
Dr. Jan Mumme – Leiter der Nachwuchsgruppe APECS
E-Mail: jan.mumme@ed.ac.uk; jmumme@atb-potsdam.de

Helene Foltan – Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: hfoltan@atb-potsdam.de

Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB)
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam

Klumpen blockiert Abwasserkanal

So manchem Einwohner der walisischen Stadt Cardiff dürfte übel werden beim Gedanken daran, was sich unter seinen Füßen befindet: Im Abwassersystem der Stadt wurde ein riesiger Fettkloß entdeckt, der die Stadtentwässerung vor Probleme stellt.
Wie die „Southwales Evening Post“ berichtet, ist der Fettbrocken fast zwei Meter breit.
Der unappetitliche Brocken befindet sich direkt unter einer der belebtesten Party-Straßen Großbritanniens, der Mill Lane. Nach Angaben von Welsh Water hat er sich gebildet, weil Besucher der Partymeile besonders oft Dinge in die Toilette werfen, die dort nicht hingehören – wie Feuchttüchter, Kaugummis oder auch Windeln. Dazu komme das Fett aus den Küchen der vielen Lokale an der Mill Lane.

http://www.rp-online.de/panorama/ausland/cardiff-riesiger-fettkloss-unter-der-stadt-entdeckt-aid-1.4865498

Ein funktionierendes Umweltmanagement verlangt genaue Kenntnisse über die Verbreitung von Arten. Doch Artenspezialisten werden zunehmend rar und die Bestimmung gewisser Spezies bereitet selbst Experten Kopfzerbrechen. Die Eawag hat zusammen mit dem Kanton Zürich nun einen neuen Weg beschritten zur Identifikation von Arten. Gesammelter Erbgut-Abfall genügt dazu.

Handelt es sich bei den entdeckten Bachflohkrebsen um eine bedrohte Art oder um Organismen, die eine gute Gewässerqualität anzeigen? Oder sind die ersten Ankömmlinge einer invasiven Art ins Netz gegangen? Der Naturschutz und das Management von Naturräumen verlangen nach fundierten Artenkenntnissen. Doch Experten, die unter dem Binokular die Arten anhand äusserer Merkmale aufwändig bestimmen können, sind rar. Alternativen für das Gewässer-Monitoring wären daher willkommen. Nun gegen Biologen der Eawag einen neuen Weg zur Erhebung von Arten: Sie machen sich Umwelt-DNA (eDNA) zunutze. Alle Lebewesen geben mit Ausscheidungen, abgestorbenen Hautzellen oder ausgefallenen Haaren ständig genetisches Material an ihre Umgebung ab. So enthält eine Wasserprobe aus einem Fluss oder See unzählige Erbgutfragmente derer Bewohner. Sind die genetischen Codes der Arten bekannt, können solche DNA-Abschnitte heute dank molekularbiologischer Methoden und weltweiter Datenbanken einzelnen Arten zugeordnet werden.

Kantonale Fachstellen sind interessiert
Zusammen mit dem Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich (Awel) haben die Forschenden untersucht, ob sich das Verfahren für wirbellose Kleintiere (Makroinvertebraten) eignet. Makroinvertebraten wie Eintagsfliegen, Flohkrebse, Muscheln oder Schnecken sind wichtige Bioindikatoren, die für die Beurteilung der Wasserqualität und Ökotoxizität verwendet werden. Beprobt wurden 14 Stellen an Zürcher Seen und Flüssen – klassisch mit einem Netz und der nachträglichen Bestimmung der gesammelten Arten und mit der Analyse des DNA-Cocktails aus den Wasserproben.

Zwar lieferten die beiden Verfahren nicht in jedem Fall identische Resultate, doch fünf von sechs gesuchten Arten konnten mit beiden Methoden zuverlässig nachgewiesen werden. Vor allem für Lebewesen, die nur in kleinen Populationen vorkommen, scheint die DNA-Methode präzisere Resultate zu liefern. So fanden die Biologen Erbgut der seltenen Eintagsfliege Baetis buceratus zusätzlich an zwei weiteren Standorten, an denen ihnen keine Baetis-Exemplare ins Netz gegangen waren. Laut Projektleiter Florian Altermatt eignet sich die neue Methode deshalb möglicherweise auch, um invasive Arten schon in einem frühen Stadium der Besiedlung zu entdecken. In den USA und in Frankreich wird dies bei invasiven Karpfen bereits erprobt.

Routineüberwachung der Biodiversität als Fernziel
Die eDNA-Methode bietet weitere Vorteile: Weil Umwelt-DNA im Wasser mehr oder weniger überall und jederzeit vorkommt, widerspiegeln die Befunde die Situation eines ganzen Einzugsgebiets und sind weniger zeitkritisch. Das traditionelle Vorgehen mit dem Fangnetz stellt dagegen eine punktuelle Stichprobe zu einem festen Zeitpunkt dar. Bei vielen Arten ist ein Nachweis damit nur für gewisse Lebensstadien und daher nur zu bestimmten Zeiten im Jahr möglich. Für die eDNA-Analyse müssen einem Gewässer keine Organismen entnommen werden und im Prinzip lassen sich Hunderte von Arten gleichzeitig bestimmen. Eine routinemässige und permanente Überwachung der Biodiversität in Gewässern, so wie es heute mit chemischen Parametern geschieht, rückt damit näher.
Das ist allerdings noch Zukunftsmusik. Abgesehen von methodischen Verbesserungen ist das Verfahren derzeit ebenfalls noch aufwändig und teuer. Den Kantonen fehlen Infrastruktur und Wissen. Altermatt erwartet aber, dass es nicht allzu lange dauern werde, bis sich technische Standards etablieren und einen rationellen Betrieb möglich machen: «Dann werden eDNA-Analysen wenige hundert Franken kosten und billiger sein als klassische Erhebungen.» Das herkömmliche Vorgehen wird allerdings nicht ganz zu ersetzen sein. Altermatt plädiert dafür, die Vorteile beider Verfahren zu nutzen. Artenspezialisten blieben zudem unverzichtbar um die Ergebnisse neuer Methoden überprüfen und eichen zu können, so der Forscher.

Ein ausführlicher Beitrag zur eDNA-Methode wird heute im Eawag-Newsletter 4/2014 publiziert.

Originalartikel:
Utility of environmental DNA for monitoring rare and indicator macroinvertebrate species; Elvira Mächler, Kristy Deiner, Patrick Steinmann, Florian Altermatt; Freshwater Science, Vol. 33, No. 4 (December 2014), pp. 1174-1183; http://www.jstor.org/stable/10.1086/678128

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Florian Altermatt, florian.altermatt@eawag.ch
http://www.eawag.ch/medien/bulletin/20141211/index
 

DBU und Land Rheinland-Pfalz fördern wegweisendes Projekt der Chemischen Fabrik Budenheim zum Phosphorrecycling aus Klärschlamm

Phosphor ist für alle Lebewesen unersetzlich, neben Stickstoff die wichtigste Grundlage für Pflanzenwachstum und Hauptbestandteil von Pflanzendünger: ein wertvoller Mineralstoff. Doch während die Weltbevölkerung stetig wächst, schwinden die Phosphatvorkommen und können zudem nur unter großen Umweltbelastungen und hohem Energieaufwand gewonnen werden. „Die Lösung heißt Kreislaufwirtschaft: Menschen und Tiere nehmen nicht nur Phosphor auf, sondern scheiden ihn auch wieder aus. Nach der Abwasserreinigung bleibt der größte Teil im Klärschlamm zurück. Von den in Deutschland jährlich anfallenden zwei Millionen Tonnen Klärschlamm-Trockenmasse, die etwa 60.000 Tonnen Phosphor enthalten, werden aber nur 45 Prozent als Dünger oder anderweitig stofflich verwendet. Der Rest wird verbrannt und der Phosphor geht verloren. Das können wir uns nicht mehr leisten“, sagt Dr. Heinrich Bottermann, Generalsekretär der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU). Mit fachlicher und finanzieller Unterstützung der DBU von 390.000 Euro entwickelt die Chemische Fabrik Budenheim (Rheinland-Pfalz) ein umweltfreundliches Verfahren, das mit Kohlensäure Phosphor aus Klärschlamm zurückgewinnt.

Weltweit wurden 2012 etwa 210 Millionen Tonnen Rohphosphat zum Herstellen von Phosphor für die chemische Industrie gefördert. Der größte Anteil wird mit 82 Prozent für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Die mineralischen Phosphorvorkommen seien jedoch eine endliche Ressource und die riesigen Tagebaue würden gravierende ökologische Schäden am Boden und bleibende ökologische Einschnitte in den Ländern verursa-chen. Zudem werde in den Tagebauen von Marokko, China, Jordanien oder Südafrika zunehmend mit den Schadstoffen Cadmium und Uran belastetes Rohphosphat abgebaut. Europa importiere Phosphorerze mangels eigener Vorkommen und produziere daraus Düngemittel, mit denen diese Schadstoffe in die Böden gelangten. „Auch deshalb ist ein nachhaltigerer Umgang mit der endlichen Ressource, etwa durch eine gezieltere Düngung, und
deren Rückgewinnung dringend notwendig“, fordert Dr. Hans-Christian Schaefer, DBU-Referent für Biotechnologie.
Um ein Umlenken in diese Richtung anzustoßen, fördere die DBU seit zehn Jahren Phosphorrecycling. So gebe es bereits unterschiedliche Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und aus der Asche der Klärschlammverbrennung. Doch nur wenige Verfahren gelangten bisher zur technischen Umsetzung, weil die ökologischen und ökonomischen Nachteile aufgrund der benötigten Mengen an Chemikalien und Energie zu hoch seien.

Die Laborentwicklung des neuen Verfahrens der Chemischen Fabrik Budenheim unterstützte zuvor die Investitions- und Strukturbank Rheinland-Pfalz (ISB) im Auftrag des Landes Rheinland-Pfalz mit 416.000 Euro. „Die Förderung innovativer Ideen und kreativer Unternehmer ist eines unserer zentralen Themen“, sagt die rheinland-pfälzische Wirtschaftsministerin Eveline Lemke. „Das aussichtsreiche Verfahren hat das Potenzial zur signifikanten Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe und zur Vermeidung von Abfällen.“ Darauf aufbauend sollen jetzt umfangreiche Versuche mit einer Pilotanlage an der Kläranlage Mainz-Mombach durchgeführt werden, um Klarheit über die Wirtschaftlichkeit und die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Verfahrens zu bekommen. Die neu entwickelte Versuchsanlage ist verfahrenstechnisch so kompakt und einfach aufgebaut, dass nicht nur weniger Chemikalien, sondern auch deutlich weniger Wärme, also Energie, für die Verfahrensschritte benötigt wird, sagt Franz-Peter Heidenreich, DBU-Referent für Wasserwirtschaft und Bodenschutz.

Die gewonnenen Produkte sollen dann untersucht werden, ob sie sich für die Weiterverarbeitung zu Phosphordünger eignen. Denn das recycelte Phosphat müsse bestimmte Bedingungen erfüllen, damit es für Düngemittel verwendet werden könne: „Es muss löslich sein, damit es die Pflanzenwurzeln aufnehmen können. Außerdem sollte der Gehalt an Schadstoffen wie Schwermetallen und organischen Schadstoffen die gesetzlichen Vorgaben möglichst deutlich unterschreiten, um ein Anreichern von Schadstoffen im Boden zu verhindern“, erklärt Heidenreich.
Unter erhöhtem Druck werde Kohlenstoffdioxid in das Klärschlamm-Wasser-Gemisch geleitet, wandele sich zu Kohlensäure um, bringe den pH-Wert zum Sinken und löse die im Klärschlamm enthaltenen Phosphate heraus, die nun die Form von Kristallen leichter wiedergewonnen werden könn-ten, erklärt Projektleiterin Eva Stössel von der Chemischen Fabrik Budenheim. „Im Prozess kann im Gegensatz zu bisherigen Verfahren auf Chemikalien wie Salz- oder Schwefelsäure und Natronlauge vollständig verzichtet werden.“ Beim sogenannten Budenheim-Verfahren sollen keine umwelt-schädlichen Abwasser oder Abluftströme mehr entstehen. Die nach dem Trocknen übrigbleibenden Phosphate können dann zu Düngemittel weiterverarbeitet werden. Das bei diesem Prozess entweichende Kohlendioxid
werde aufgefangen und im Kreislauf erneut für den Reaktionsbehälter genutzt.

„Ziel dieses Verfahrens ist es, je nach Herkunft des kommunalen oder industriellen Klärschlamms bis zu 50 Prozent des Phosphats zurückzugewinnen“, sagt Stössel. Dieses energiesparende Kreislaufverfahren gehe „weit über den bisherigen technischen Kenntnisstand hinaus, weil der gewonnene Dünger keine organischen und anorganischen Schadstoffe und Schwermetalle mehr enthält, die im Prozess weitgehend entfernt werden und im Klärschlamm-Rückstand zurückbleiben.“ Der phosphatarme Rückstand bzw. Restschlamm soll auf seine wertvollen Inhaltsstoffe analysiert werden, um die Reststoffe ebenfalls in den Kreislauf zurückzuführen und ressourcen-schonend verwenden zu können.
Außerdem könnten die Verfahrenskosten mit geschätzten 60 bis 70 Cent pro Kilogramm gewonnenem Phosphor deutlich geringer sein als bei den bisherigen Verfahren, die zwischen zwei und 25 Euro pro Kilogramm Phos-phor liegen. Heidenreich: „Durch die um ein Vielfaches günstigeren Verfahrenskosten ist die Wahrscheinlichkeit hoch, den Phosphordünger auch am Markt verkaufen zu können. Das Budenheimer Verfahren hat somit gegenüber den bislang bekannten Verfahren deutliche verfahrenstechnische, öko-logische, energetische und damit auch ökonomische Vorteile.“

Ansprechpartner für Fragen zum Projekt:
Eva Stössel, Abteilung Innovation und New Business Development, Chemische Fabrik Budenheim KG
Telefon: 06139/89-543
E-Mail: eva.stoessel@budenheim.com