Ziel der Entwicklung
Der zunehmende Bedarf der Industrie an effizienten, wirtschaftlichen und zugleich nachhaltigen Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern war der Ausgangspunkt des Projekts MykoMet. Insbesondere in Branchen wie der Metallverarbeitung, der Galvanik, der Lederindustrie, dem Bergbau oder dem Recycling fallen Prozessabwässer mit relevanten Konzentrationen an Metallen wie Chrom, Blei, Nickel, Kupfer, Zink oder Quecksilber an. Gleichzeitig werden die gesetzlichen Grenzwerte und Anforderungen an die Abwasserqualität kontinuierlich verschärft, wodurch sich für Unternehmen technische und wirtschaftliche Herausforderungen ergeben.
Konventionelle Verfahren zur Schwermetallentfernung, wie beispielsweise die chemische Fällung, der Ionenaustausch oder die Aktivkohleadsorption, sind häufig energie- und chemikalienintensiv, kostenaufwendig oder erzeugen zusätzliche Schlämme und Reststoffe, die wiederum entsorgt werden müssen. Zudem sind diese Verfahren bei geringen Restkonzentrationen oder schwankenden Belastungen oft nur eingeschränkt effizient. Vor diesem Hintergrund bestand seitens der Wirtschaft ein deutliches Interesse an alternativen, ressourcenschonenden und flexiblen Technologien, die sich in bestehende Behandlungsprozesse integrieren lassen.
In der Kulturpilzproduktion fallen parallel dazu große Mengen (270.000 t/a) abgetragener Pilzsubstrate (APS) als Nebenprodukt an. Diese organischen Reststoffe werden bislang überwiegend teuer entsorgt oder kompostiert. Erste wissenschaftliche Hinweise auf das Biosorptionspotenzial pilzlicher Biomassen legten nahe, dass diese APS sowie pilzbasierte Materialien (MPS) oder spezifische Pilzsubstrate (SPS) funktionelle Gruppen, Proteine und Zellbestandteile (Chitin und Glucane) enthalten, die Schwermetalle binden können. Daraus ergab sich der Impuls, diese bislang geringwertig genutzten Reststoffe als potenzielle Biosorbentien für die Abwasserbehandlung zu erschließen.
Das Ziel des Projekts „MykoMet” war die systematische Erforschung des Mykoremediationspotenzials von Pilzen (Basidiomyzeten) und pilzbasierten Substraten aus der Produkttion als Biosorbentien zur Entfernung von Schwermetallen aus Industrieabwässern. Dabei sollten geeignete Pilzarten und Substrate und Materialien identifiziert, die zugrunde liegenden Mechanismen der Metallbindung aufgeklärt und relevante Marker sowie Einflussparameter definiert werden. Darüber hinaus wurde untersucht, unter welchen Bedingungen pilzbasierte Substrate eine technisch relevante Schwermetallentfernung ermöglichen und wie daraus praxisnahe Applikationskonzepte abgeleitet werden können. Das Ziel bestand darin, eine nachhaltige und wirtschaftlich tragfähige Ergänzung bzw. Alternative zu bestehenden Verfahren der industriellen Abwasserreinigung zu entwickeln.
Damit adressierte MykoMet sowohl ein konkretes industrielles Problem, nämlich die effiziente Einhaltung von Schwermetallgrenzwerten, als auch eine übergeordnete gesellschaftliche Herausforderung: die Entwicklung biobasierter, ressourcenschonender Lösungen im Sinne der Bioökonomie und Kreislaufwirtschaft.
Vorteile und Lösungen
Der Lösungsansatz von „MykoMet“ basiert auf der Idee, die natürlichen Eigenschaften von Pilzen gezielt zur Reinigung von Industrieabwässern zu nutzen. Pilze besitzen Zellwandstrukturen (Chitin, Glucane und Proteine) mit funktionellen Gruppen (-OH, -COOH, –NH₂), die Schwermetalle binden können. Um dieses Potenzial systematisch zu erschließen, wurde das Projekt in mehreren logisch aufeinander aufbauenden Entwicklungsschritten umgesetzt. 1) Analyse der Ausgangssituation: Zunächst wurde untersucht, welche Schwermetalle typischerweise in Industrieabwässern vorkommen und welche gesetzlichen Anforderungen gelten. Die Recherchen zeigten, dass Schwermetalle hauptsächlich aus Quellen wie der Lederindustrie, Metallverarbeitung, Mikroelektronik, Verkehr, Kläranlagen, Landwirtschaft sowie Bergaltlasten in Abwassersysteme gelangen können. Aus diesen Branchen wurden 23 reale Abwasserproben beschafft und analysiert, um typische Belastungsszenarien zu definieren. 2) Auswahl und Screening geeigneter Pilze: Es wurden 169 Pilzstämme kultiviert und über die Sequenzierung der nicht-kodierenden DNA-Regionen ITS1 und ITS2 zwischen den ribosomalen RNA-Genen (ITS-rDNA) charakterisiert. Schließlich wurden diese Stämme im Rahmen von Wachstumsversuchen auf verschiedenen schwermetallhaltigen Nährmedien hinsichtlich ihrer Schwermetalltoleranz getestet. Die Wachstumsversuche ergaben, dass Pilze aus den Ordnungen Boletales und Polyporales besonders schwermetalltolerant sind. Der Pilz Fomitopsis sp. zeigte eine hohe Toleranz (bis zu 120 mg/l) gegenüber Cu, Mg und Zn, während die Arten der Gattung Pleurotus deutlich geringere Toleranzen (bis zu 15 mg/l) aufwiesen. Insgesamt wurden fünf schwermetallrobuste Pilzarten für die Herstellung spezifischer Substrate (SPS) aus ausgewählten Rohstoffen ausgewählt. 3) Entwicklung einer zuverlässigen Analytik: Um die Metallbindung präzise messen zu können, wurde eine leistungsfähige ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) Analytik etabliert. Damit war es möglich, die Metallkonzentrationen sowohl im Wasser als auch im Pilzsubstrat zuverlässig zu quantifizieren. Diese Analytik bildete die Grundlage für alle weiteren Versuche. Zudem kam die Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur morphologischen Charakterisierung der Pilzsubstrate und Rohstoffe zum Einsatz. Die Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde zur Analyse funktioneller Gruppen in den Pilzsubstraten eingesetzt. 4) Untersuchung der Metallbindung (Biosorption): Im nächsten Schritt wurde systematisch untersucht, wie gut verschiedene Pilzsubstrate (APS, MPS und SPS) und Fruchtkörper die Schwermetalle binden können. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren wie der pH-Wert, der Zustand des Substrats (frisch oder getrocknet), die Metallkonzentration und die Kontaktzeit betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Pilzsubstrate, insbesondere Agaricus sp. und Pleurotus sp., zu der Entfernung von Schwermetallen (Hg, Fe, Pb, Cr, Cd) aus Abwässern beitragen können. Dies erfolgt durch Biosorption, überwiegend über Adsorption an das Chitin und Proteine der Pilzsubstrate oder durch reversible Absorptionsvorgänge. Die Sorptionsleistung war stark abhängig von pH-Wert und Zusammensetzung der Substrate sowie von der Pilzart und dessen Zustand. Es wurden die zugrunde liegenden Mechanismen der Metallbindung aufgeklärt und relevante Marker sowie Einflussparameter definiert. 5) Optimierung und Materialentwicklung: Die strukturellen Eigenschaften der Substrate wurden analysiert und teilweise mechanisch angepasst, um die Stabilität und Handhabbarkeit zu verbessern. Ziel war es, Materialien zu entwickeln, die nicht nur gut binden, sondern sich auch technisch einsetzen lassen. Es zeigte sich, dass insbesondere frische Champignon-Substrate eine hohe Bindungskapazität aufweisen. Neben der Oberflächenbindung konnten Hinweise auf Akkumulationsprozesse im Material festgestellt werden. 6) Entwicklung praxisnaher Filtermodelle: Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden unterschiedliche Applikationsformen getestet: statische, schwimmende und kontinuierlich durchströmte Filtermodelle. Besonders kontinuierliche Durchflusssysteme zeigten stabile und reproduzierbare Abscheideleistungen. Damit konnte die technische Umsetzbarkeit im Labormaßstab nachgewiesen werden. Zusammenfassung des Lösungsansatzes: Dieser Lösungsansatz verbindet die Nutzung biogener Reststoffe (APS) mit einer gezielten verfahrenstechnischen Entwicklung. Anstelle neu hergestellter chemischer Sorbentien können vorhandene Abfallprodukte aus der Pilzproduktion als Biosorbentien für die Schwermetallentfernung eingesetzt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Ergebnisse des Projekts „MykoMet” richten sich primär an Unternehmen, die schwermetallhaltige Prozessabwässer produzieren, sowie an Anbieter von Umwelt- und Abwassertechnik. Zu den Zielbranchen zählen insbesondere die Metallverarbeitung, die Galvanik und die Oberflächentechnik, die Lederindustrie, der Bergbau, das Recycling, die Edelstahlproduktion sowie die Betreiber industrieller Kläranlagen. Darüber hinaus zählen Anlagenbauer, Systemintegratoren und Hersteller von Filter- und Sorptionsmaterialien zu den relevanten Adressaten. Ein weiterer Zielkreis umfasst Unternehmen der Kulturpilzproduktion, da abgetragene Pilzsubstrate (APS) als kostengünstige und kontinuierlich verfügbare Rohstoffbasis genutzt werden können. Der Zielmarkt ist der nationale und internationale Markt für industrielle Wasser- und Umwelttechnologien. Aufgrund weltweit verschärfter Umweltauflagen, steigender Anforderungen an die Ressourceneffizienz und der wachsenden Bedeutung nachhaltiger Produktionsprozesse besteht insbesondere in Europa, Nordamerika und Asien ein zunehmender Bedarf an innovativen Verfahren zur Schwermetallentfernung. Dabei gewinnen biobasierte und kreislauforientierte Lösungen zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung. Anwender profitieren von einer nachhaltigen, biobasierten Ergänzung zu konventionellen Verfahren wie der chemischen Fällung oder der Aktivkohleadsorption. Pilzbasierte Biosorbentien bieten das Potenzial, Betriebskosten zu senken, da sie auf kostengünstigen Reststoffen basieren. Gleichzeitig ermöglichen sie flexible Integrationskonzepte, beispielsweise als Vorbehandlungsstufe, zur Feinreinigung oder als modulare Filtereinheit im Durchflussbetrieb. Darüber hinaus kann die Nutzung pilzbasierter Reststoffe die Umweltbilanz verbessern und zur Erfüllung regulatorischer Anforderungen beitragen. Unternehmen erhalten somit eine innovative Lösung, die ökologische Verantwortung mit wirtschaftlicher Effizienz verbindet. Der Transfer der Forschungsergebnisse erfolgt über Kooperationen mit Industriepartnern, Anlagenbauern sowie mittelständischen Unternehmen der Umwelttechnik. Perspektivisch sind Pi-lot- und Demonstrationsprojekte unter realen Betriebsbedingungen vorgesehen, um die technische Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit weiter zu validieren. Zusätzlich erfolgt der Wissenstransfer über Beratungsleistungen, Machbarkeitsstudien, gemeinsame Entwicklungsprojekte sowie durch die Bereitstellung pilzbasierter Sorptionsmaterialien für Testanwendungen. Die Projektergebnisse bilden zudem eine Grundlage für mögliche Schutzrechtsaktivitäten und weiterführende Forschung. Es ergeben sich folgende wirtschaftliche Effekte: 1) Erweiterung des technologischen Kompetenzfeldes im Bereich Umweltbiotechnologie und Mykoremediation; 2) Aufbau neuer Dienstleistungen (Screening, Analytik, Substratentwicklung, Metallrückgewinnung); 3) Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit im Bereich der nachhaltigen Material- und Umweltforschung. Darüber hinaus bestehen Potenziale für Folgeprojekte, industrielle Entwicklungsaufträge und Schutzrechte. Im Projekt wurden bereits erfolgreiche Laborversuche mit realen Abwasserproben aus der Lederindustrie, dem Bergbau und der Metallverarbeitung durchgeführt. Die entwickelten Mykofilter-Modelle zeigten unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen stabile und reproduzierbare Schwermetallabscheidungen. Damit liegt eine experimentell validierte Laborgrundlage für weiterführende Pilotanwendungen und eine perspektivische industrielle Umsetzung vor.