Projekt 15006/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung: Mikrobielle Stoffwechselprodukte als Meßparameter bei Emissionsbetrachtungen an Bioabfall-Behandlungsanlagen

Projektdurchführung

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Institut für Hygiene und Umweltmedizin
Pauwelsstr. 30
52057 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Verschiedene Methoden zur Emissionsermittlung an Bioabfallbehandlungsanlagen werden verglichen und solche ausgewählt, mit denen sich umwelthygienisch relevante Parameter einfach und differenziert erfassen lassen. Die Bestimmung chemischer und physikalischer Parameter (Geruchsstoffe, MVOC, Mykotoxine und Partikelzahlen) wird modellhaft mit Erhebungen luftgetragener Fadenpilze verglichen. Die Erfassung von Emissionsdaten bei Anlagen verschiedener Verfahrenstechnik liefert Erkenntnisse über die umwelthygienische Relevanz von Abfallbehandlungsanlagen, sowie die hygienische Beschaffenheit des Kompostes. Ziel ist die Erarbeitung eines Methodenkatalogs, der unter Berücksichtigung aller verfahrenstechnischer Gegebenheiten die jeweils geeignete Methode nennt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie geplanten Untersuchungen wurden modellhaft an vier verschiedenen Anlagentypen jeweils zweimal pro Jahr (feuchte und trockene Jahreszeit) durchgeführt (Wiederholung im zweiten Jahr). Die Luftkeimuntersuchungen umfassten eine weitgehende Identifizierung von Schimmelpilzen, eine Charakterisierung von partikulären Emissionen mit Hilfe eines Partikelzählgerätes und gravimetrischer Verfahren, sowie die Erfassung von MVOC und anderen mikrobiellen Sekundärmetaboliten (Mykotoxine). Mykotoxine wurden auch mittels immunologischer Verfahren nachgewiesen. Die Betreiber der Anlagen (Projektpartner) erheben alle verfügbaren Messwerte über Prozessführung und Verfahrensverlauf, damit diese als Bezugswerte zu den Daten der chemischen und mikrobiologischen Daten genutzt werden können. Neue Methoden sind vor allem im Hinblick auf die chemischen Parameter wie VOC und MVOC (Geruchsstoffe), sowie ausgewählte relevante Mykotoxine zu erwarten. Diese sollen dabei als Indikator für das Vor-handensein verschiedener Arten von Schimmelpilzen in den Bioaerosolen herangezogen werden und damit als Marker für die hygienische Beschaffenheit des Kompost dienen. Gerade im Bereich der Stoffwechselprodukte ist eine qualitative und quantitative Erhebung notwendig, um die umwelthygienische Relevanz der Emissionen ermitteln zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Schimmelpilze
Deutliche Unterschiede im Spektrum der freigesetzten Fadenpilze konnten bei Anlagen verschiedener Verfahrenstechnik nicht festgestellt werden. Die verschiedenen Verfahrenstechniken (unbelüftete Trapezmieten, belüftete Trapezmieten, Tunnelkompostierung, Tafelmieten), und baulichen Gegebenheiten führen offenbar nur zu geringfügigen qualitativen Unterschieden im Spektrum der emittierten Fadenpilze, die Quantität der freigesetzten Bioaerosole unterscheidet sich jedoch erheblich. Die Menge der freige-setzten Bioaerosole hängt wesentlich vom Grad der Einhausung (Kapselung) und von der Kompostqualität (Rottegrad) ab.
Die Zusammensetzung der Arten unterscheidet sich jedoch erheblich in den verschiedenen Bereichen innerhalb des Kompostierungsprozesses (im Verlauf der verfahrenstechnischen Schritte). Im Bereich der Anlieferung dominieren die mesophilen Arten, die thermotoleranten Arten treten während der wärmeren Jahreszeiten in erhöhten Mengen auf. In der Praxis ist eine Freisetzung von Bioaerosolen von untergeordneter Bedeutung, wenn diese Bereiche vollständig eingehaust sind. Im Bereich der Intensivrotte dominieren die thermotoleranten Arten, da sie durch höhere Umgebungstemperaturen gefördert werden. Auch aus diesem Bereich werden nicht direkt Bioaerosole emittiert, da dieser meist vollständig eingehaust ist. Lediglich im Bereich der Nachrotte treten erhebliche Emissionen von Schimmelpilzen auf, die in ihrer Qualität und Quantität wesentlich vom Rottegrad des Kompostes beeinflusst werden. Vor allem während kurzfristiger Arbeitsprozesse wie der Umsetzung von Kompostmieten, dem Transport des Kompostes durch Radlader in andere Anlagenteile und andere mechanische Einwirkungen, beeinflussen die Emission deutlich.
Insgesamt kann davon ausgegangen werden, dass die Höhe der Emissionen vor allem von der Aktivität innerhalb der Anlagen abhängt und weniger von der angewandten Verfahrenstechnik. Dadurch ist die Freisetzung von partikulären Bioaerosolen eher diskontinuierlich und erhebliche Schwankungen der KBE-Zahlen in der Luft der Anlagen sind zu erwarten.
MVOC
Im Rahmen der Untersuchungen konnten die mikrobiellen Stoffwechselprodukte zur Charakterisierung der Anlagen und ihrer verfahrenstechnischen Bereiche eingesetzt werden. Eine Unterscheidung der einzelnen Anlagenteile wie Anlieferung, Hauptrotte und Lagerbereich durch das emittierte (M)VOC-Spektrum ist bedingt möglich, wobei der Einfluss des eingebrachten Bioabfalls und seine Zusammensetzung zu berücksichtigen ist, da die Bildung von MVOC und Geruchsstoffen substratabhängig ist. Die Anlagen oder Anlagenteile weisen keine (M)VOC-Spektren im Sinne eines spezifischen Fingerprints auf, der sie klar unterscheidet. Vielmehr liegen die Unterschiede auch im quantitativen Bereich. Die qualitative und quantitative Analyse der (M)VOC-Daten hat gezeigt, dass sich die leicht flüchtigen organischen Verbindungen gut als Bioindikator für den Rottezustand und die biologische Aktivität der Mikroorganismen im Kompost eignen. Mit zunehmendem Rottegrad nehmen auf der einen Seite die (M)VOC-Konzentrationen ab. Auf der anderen Seite verkleinert sich mit steigendem Rottegrad auch das Spekt-rum der detektierten Verbindungen. Wenn die Zahlen an stoffwechselaktiven Mikroorganismen durch Mangel an verwertbarem Substrat abnehmen und größtenteils nur noch tote Überdauerungsstadien (Sporen) vorhanden sind, reduziert sich das Spektrum auf holzbürtige Terpene wie a-Pinen, Camphen, (+)-3-Caren und Limonen. Darüber hinaus könnte der Messparameter (M)VOC im Rahmen der Qualitätssicherung zur Überwachung der Kompostgüte und Geruchsemissionen eingesetzt werden, um die Abgabe eines einwandfreien kommerziellen Produktes zu gewährleisten.
Mykotoxine
Es besteht offenbar keine direkte Korrelation zwischen den Konzentrationen von in luftgetragenen Stäuben nachgewiesenen Mykotoxinen und den Sporenkonzentrationen der Fadenpilze. Somit eignet sich der Nachweis der Mykotoxine (hier Aflatoxin) nicht als Indikator für das Vorhandensein von Schimmelpilzen des entsprechenden Taxons (hier Aspergillus flavus und A. parasiticus). Andererseits zeigt die fehlende Korrelation aber auch, dass mikrobiologische Verfahren nicht dazu herangezogen werden können, um die Toxizität von Stäuben oder Bioaerosolen aus Kompostierungsanlagen zu bewerten. Da die meisten Mykotoxine als thermostabil gelten, muss davon ausgegangen werden, dass sich diese im Verlauf des Kompostierungsprozesses im Kompost anreichern. Wie im vorangegangenen Abschnitt gezeigt wurde, war in den Nachrottekomposten aller Anlagen Aflatoxin nachweisbar, obschon in fast allen Fällen keine potentiellen Aflatoxinbildner in diesem verfahrenstechnischen Bereich nachgewiesen werden konnten. Zur Bewertung des toxikologischen Gefährdungspotentials der Emissionen von Bioabfallbehandlungsanlagen ist eine Mykotoxinanalytik


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Publikationen:
Fischer, G., Müller, T., Schwalbe, R., Ostrowski, R. und Dott, W. Species-specific profiles of mycotoxins produced in cultures and associated with conidia of airborne fungi derived from biowaste. Int. J. Hyg. Environ. Health 203 (2), pp. 105-116 (2000). (IF 0,3)
Fischer, G., Müller, T., Schwalbe, R., Ostrowski, R. und Dott, W. Exposure to airborne fungi, MVOC and mycotoxins in biowaste-handling facilities. Int. J. Hyg. Environ. Health 203 (2), pp. 97-104 (2000). (IF 0,3)
Poster:
Fischer, G., Müller, T., Thißen, R., Schwalbe, R., Ostrowski, R and Dott, W. Mycotoxins of compost-derived airborne fungi in pure culture and in native bioaerosols from compost facilities. Proceedings of 22. Mycotoxin - Workshop, Mycotoxin Research Vol. 16A, No. 1, pp. 94-98 (2000).
Thißen, R., Müller, T., Braun, S., Schwalbe, R., Dohms, E., Dott, W., and Fischer, G. Mykotoxine von luftgetragenen Fadenpilzen und ihre Relevanz für die Arbeitsplatz- und Umwelthygiene. Proceedings of 22. Mycotoxin - Workshop, Mycotoxin Research Vol. 16A, No. 1, p. 99 (2000).
Dott, W., Müller, T., Thißen, R., Braun, S., Dohms, E., and Fischer, G.: Exposure to airborne fungi and their secondary metabolites in biowaste-handling facilities. 101 General Meeting of the American Society for Microbiology, 20th - 24th May, 2001, Orlando.
Thißen, R., Braun, S., Müller, T., Dohms, E., Dott, W., and Fischer, G.: Aflatoxin in conidia of airborne fungi and its relevance for occupational hygiene. The Ninth Conference of the‚ Gesellschaft für Hygie-ne und Umweltmedizin, 6th - 8th September, Garmisch-Partenkirchen, 2001.
Vorträge:
Fischer, G., Müller, T., Thißen, R., Schwalbe, R., Ostrowski, R., and Dott, W.: Mykotoxine von kompostbürtigen, luftgetragenen Fadenpilzen aus Reinkulturen und natürlichen Bioaerosolen aus Kompostierungsanlagen, Mykotoxin Workshop, Institut für Pflanzenkrankheiten der Universität Bonn, 5. - 7.6.2000, Bonn.
Fischer, G., Müller, T., Schwalbe, R., Ostrowski, R., and Dott, W.: Relevanz luftgetragener Fadenpilze und deren Sekundärmetabolite in der Umwelt- und Arbeitshygiene. 34. Tagung der Deutschsprachigen Gesellschaft für Mykologie - Myk 2000, 14. - 16.09.2000, Berlin, Mycoses 43(6), 2000.
Fischer, G., Schwalbe, R., Müller, Th., Ostrowski, R., and Dott, W.: Comparison of microbiological and chemical methods for assessing the exposure to airborne fungi in composting plants. Microbiology of Composting, 18. - 21.10.2000, Universität Innsbruck.
Fischer, G., Braun, S., Dohms, E., Müller, T., Thißen, R., Dott, W. Assessment of bioaerosols (fungi, MVOC, and mycotoxins) in composting plants and their emission into the environment. The Ninth Conference of the‚ Gesellschaft für Hygiene und Umweltmedizin, 6th - 8th September, Garmisch-Partenkirchen, 2001.
Fischer, G., Thißen, R., Braun, S., Müller, T., Dohms, E., Dott, W. Mycotoxins associated with airborne spores of pathogenic microfungi and their relevance for air hygiene. Proceedings of the ‚35. Wissenschaftliche Tagung der Deutschsprachigen Mykologischen Gesellschaft e.V., 13th - 15th September, Marburg, Mycoses 44 (6), p. 242, 2001.
Für die Praktische Anwendung wurde im Rahmen der Abschlußberichtes ein Schema erstellt, das einen Überblick über die erarbeiteten methodischen Ansätze gibt und ihre Eignung und praxisorientierte Bedeutung für die Expositionserfassung der verschiedenen Messparameter herausstellt (noch zu publizieren).


Fazit

Die in diesem Forschungsprojekt erarbeiteten Daten zeigen, dass sich neben den klassischen mikrobiologischen Methoden auch andere physikalisch-chemische Verfahren eignen, um eine Expositionserfassung von luftgetragenen Bioaerosolen durchzuführen oder diese zu charakterisieren. Es wurden Verfahren etabliert, die zeit- und kostengünstige Alternativen zu klassischen Methoden darstellen und die im Rahmen von Voruntersuchungen oder als Screening-Tests Entscheidungshilfen bei einer Gefährdungsabschätzung bieten. Die erarbeiteten Methoden bedingen einen geringeren personal- und labortechnischen Aufwand und stellen eine entscheidende Vereinfachung bestehender Untersuchungskonzepte dar. Darüber hinaus wurden neue Messparameter erarbeitet, die im Rahmen einer zuverlässigen Gefährdungsabschätzung von luftgetragenen Bioaerosolen im Rahmen der Bioabfall-Behandlung eingesetzt werden können.