Die Biosorption beschreibt die Anreicherung bestimmter Stoffe (Schwermetallen oder Radionukliden) an biologisches Material, zum Beispiel an Algen, Bakterien, Hefen, Lignine, Cellulosen, Alginate und viele andere mehr. Wirkmechanismius ist entweder ein metabolischer Prozess, wenn der Stoff im Stoffwechsel eines lebenden Organismus angereichert wird, oder ein physikalisch-chemischer Prozess, wenn die Stoffe sich an Zellstrukturen binden. Die Biosorption wird unter anderem verwendet, um zum Beispiel Schwermetalle aus Abwässern zu isolieren.[1][2]
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Definition
Obwohl der Begriff Biosorption einen mehrdimensionalen Charakter aufweist, ist seine Definition eher schwierig und hat sich in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Vielfalt der Mechanismen, die zum Gesamtprozess beitragen, in Abhängigkeit vom Sorbat und dem Biosorbens, von den Umweltbedingungen und von den Stoffwechselvorgängen im Falle lebender Organismen weiterentwickelt.[3]
Einige Publikationen deuten darauf hin, dass die meisten Forscher die Biosorption als einen passiven und stoffwechselunabhängigen Prozess definieren, der entweder durch tote Biomasse oder Fragmente von Zellen und Geweben oder durch lebende Zellen als aktiver und stoffwechselabhängiger Prozess durchgeführt werden kann. Es ist wichtig hervorzuheben, dass sich beide Mechanismen überschneiden können, was zu zusätzlicher Verwirrung bei der Verwendung der Terminologie führen kann.[3]
Geschichte
Der erste Artikel über Biosorption wurde 1951 veröffentlicht.[4]
Ausmaß
Das Ausmaß der Biosorption eines bestimmten Schwermetalls wird durch den sogenannten Biokonzentrierungsfaktor (BCF) beschrieben. Je nach Art des Mikroorganismus und Metalls kann der BCF zwischen 102 und 105 liegen.[5] So sind Anreicherungen von mehreren Zehnerpotenzen – insbesondere von Radionukliden – möglich. Ein Beispiel ist Rhizopus arrhizus, welches etwa 200 mg Uran oder Thorium pro g Trockensubstanz bindet.[6] Die Unterschiede sind sowohl zwischen verschiedenen Mikroorganismen als auch in der Sorptionskapazität eines bestimmten Mikroorganismus für unterschiedliche Metalle beträchtlich. Besonders effektiv ist die Biosorption bei niedrigen Schwermetallkonzentrationen (ppb – ppm, entsprechend pg/l – mg/l), bei denen physikalisch-chemische Verfahren versagen oder zumindest kostenintensiv sind. Die Biosorption der Schwermetalle ist im allgemeinen reversibel, z. B. durch Zugabe von Komplexbildnern; es sind also mehrfach regenerierbare Bioabsorber realisierbar.[5]
Von Bedeutung ist die Resistenz der Mikroorganismen gegenüber den meist toxischen Schwermetallen. Sie ist meist genetisch bedingt und wird durch Plasmide kontrolliert.[6]
Mechanismen
Für die Biosorption sind wenigstens zwei Mechanismen verantwortlich.
Die Bindung der positiv geladenen Metall-Ionen an negativ geladene Gruppen der Oberfläche von Mikroorganismen. Dieser Prozess wird durch verschiedene chemische und physikalische Faktoren beeinflusst. In ähnlicher Weise können oberflächenaktive Polymere (z. B. von marinen Pseudomonas-Arten, Gewinnung von Cobalt, Nickel, Zink usw.) oder andere von Mikroorganismen ausgeschiedene Verbindungen (z.B. Emulsan aus Acinetobacter calcoaceticus RAG-1, Bindung von Uran) mit Metallen Komplexbindungen bilden. Gold- und Platinmetalle können mit Hilfe C-heterotropher Mikroorganismen (Bakterien/Pilze) über organische Komplexverbindungen angereichert werden.[6]
Die Akkumulation der Metalle im Cytoplasma der Zelle. Dieser Vorgang wird nicht durch chemische oder physikalische Faktoren beeinflusst, ist aber von Stoffwechselprozessen (Membrantransport) abhängig und somit an die intakte, lebende Zelle geknüpft.[6]
Eine Sonderform stellt die "Biopräzipitation" dar. Darunter versteht man die biologisch bedingte Bildung von schwerlöslichen Niederschlagen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Sulfidfällung von Schwermetallen durch bakteriell gebildeten Schwefelwasserstoff. Anaerobe, sulfatreduzierende Bakterien, Z. B. Desulfovibrio desulfuricans, Desulfotomaculum-, Desulfobacter-, Desulfosarcina- und Desulfonema-Arten, benutzen Sulfat als terminalen Elektronenakzeptor ihres Energiestoffwechsels, bei dem organische Stoffe oder Wasserstoff als Edukte einfließen und dabei Schwefelwasserstoff bilden. Durch eine gezielte Herbeiführung dieser Desulfurikation, z. B. durch Zugabe von organischen Stoffen oder durch Herbeiführen anaerober Verhältnisse, können sogenannte "sauren Grubenwässer" entgiftet werden.[7]
Siehe auch
Weblinks
- Biosorption auf spektrum.de
Einzelnachweise
- ↑ Biosorption - an overview | ScienceDirect Topics. Abgerufen am 2. Februar 2020.
- ↑ Shamim, Saba. (2018). Biosorption of Heavy Metals. doi:10.5772/intechopen.72099.
- ↑ a b Filomena Costa and Teresa Tavares (July 18th 2018). Biosorption of Multicomponent Solutions: A State of the Art of the Understudy Case, Biosorption, Jan Derco and Branislav Vrana, IntechOpen, doi:10.5772/intechopen.72179.
- ↑ Jan Derco, Branislav Vrana: Biosorption. BoD – Books on Demand, 2018, ISBN 978-1-78923-472-5, S. 55 (books.google.de).
- ↑ a b Franz-Josef Dreyhaupt: VDI-Lexikon Umwelttechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-95750-5, S. 226 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ a b c d Lexikon der Biochemie: Biosorption - Lexikon der Biochemie, abgerufen am 17. Juni 2020
- ↑ Müfit Bahadir, Harun Parlar, Michael Spiteller: Springer Umweltlexikon. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-97335-2, S. 524 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).