Umweltbiotechnik

Vorwort 10
Vorwort zur 1. Auflage 11
1 Biologische Stoffwandlung als eine der Grundoperationen im technischen Umweltschutz (Einführung) 13
1.1 Grundoperationen der Verfahrenstechnik und Besonderheiten der biologischen Stoffwandlung 14
1.2 Bioreaktoren als technische Ökosysteme 16
1.3 Umweltrechtliche Anforderungen als Zielgrößen für die Entwicklung und den Einsatz umwelttechnischer Verfahren 21
2 Mikroorganismen und die Grundzüge ihres Stoffwechsels 26
2.1 Merkmale und Lebensweise von Mikroorganismen 26
2.2 Grundzüge des Stoffwechsels von Mikroorganismen 33
2.2.1 Allgemeine thermodynamische Aspekte des mikrobiellen Zellstoffwechsels 35
2.2.2 Enzyme als hochselektive Biokatalysatoren 39
2.2.3 Energetische Kopplung von exergonen und endergonen Stoffwechselreaktionen über das ATP-ADP-System 48
2.2.4 Redox-Reaktionen und membran-gebundener Elektronentransport 51
2.2.5 Protonenpotential der Cytoplasma-Membran und membran-gebundene ATP Synthese (Elektronentransport-Phosphorylierung) 57
2.2.6 Substratstufen-Phosphorylierung 60
2.3 Chemotrophie 61
2.3.1 Chemoorganotrophie 61
2.3.2 Chemolithotrophie 72
2.4 Phototrophie 74
2.4.1 Oxygene Photosynthese 77
2.4.2 Anoxygene Photosynthese 78
2.5 Aufnahme von Nährstoffen in die Zelle 79
3 Rolle der Mikroorganismen im Stoffhaushalt der Natur 86
3.1 Ökosysteme und biozönotisches Grundelement 86
3.2 Wechselwirkung von Mikroorganismen mit ihrer belebten und unbelebten Umwelt 88
3.2.1 Die ökologische Nische - Genotypische Anpassung der Mikroorganismen an ihre Umwelt 89
3.2.2 Phänotypische Anpassung der Mikroorganismen an wechselnde Umwelteinflüsse 91
3.2.3 Interaktionen der Mikroorganismen mit anderen Lebewesen 93
3.3 Beitrag der Mikroorganismen zum globalen C-Kreislauf 99
3.3.1 Oxidativer Endabbau von organischer Substanz (Mineralisierung) 102
3.3.2 Abbau von organischer Substanz unter Luftabschluss (Methanisierung) 103
3.3.3 Unspezifische radikalische Oxidation komplexer organischer Verbindungen durch Holz- und Bodenstreu-zersetzende Pilze 107
3.3.4 Mikrobielle Fixierung von CO2 110
3.4 Beitrag der Mikroorganismen zum globalen N-Kreislauf 112
3.4.1 Proteolyse und Ammonifikation 114
3.4.2 Mikrobielle Oxidation von Ammonium 116
3.4.3 Mikrobielle Nitratreduktion 119
3.4.4 Bindung von Luftstickstoff (N2-Fixierung) 121
3.5 S-Kreislauf 124
3.6 Mikrobielle Prozesse im Boden 127
3.6.1 Boden als Lebensraum von Mikroorganismen 129
3.6.2 Mikrobielle Prozesse bei der Humifizierung von abgestorbenem organischem Material 131
3.6.3 Beitrag der Mikroorganismen zur Umwandlung von Schwefel- und Phosphorverbindungen im Boden 134
3.7 Rolle der Mikroorganismen in limnischen Gewässern 137
3.7.1 Schichtungsvorgänge in limnischen Gewässern 138
3.7.2 Stoffumwandlungsprozesse in stehenden Gewässern 140
3.7.3 Gewässergüte und Natürliche Selbstreinigung in Fließgewässern 145
4 Eingriffe des Menschen in das Gesamt-Ökosystem "Erde" 148
4.1 Technik/Technisierung contra natürliche Umwelt 145
4.2 Destabilisierung des globalen CO2/O2-Kreislaufs 150
4.3 Industriechemikalien und ihr Verhalten in der Umwelt 154
4.4 Gewässernutzung und -bewirtschaftung 161
5 Kinetik mikrobieller Stoffwandlungsprozesse 170
5.1 Nährstofftransport im Medium 173
5.2 Wachstum einzelliger Mikroorganismen 174
5.2.1 MONOD-Modell 176
5.2.2 Mikrobielles Wachstum mit zelltoxischen Substraten 179
5.3 Erhaltungsstoffwechsel von Mikroorganismen 181
5.4 Modell für einen kontinuierlich geführten mikrobiellen Prozess 184
5.5 Modell für einen kontinuierlich geführten mikrobiellen Prozess mit partieller Biomasse-Rückführung 187
6 Grundtypen von Bioreaktoren und ausgewählte reaktortechnische Aspekte 191
6.1 Bioreaktoren mit suspendierter Biomasse (Suspensionsbioreaktoren) 192
6.1.1 Stoffübergang in volldurchmischten Bioreaktoren 194
6.1.2 Sauerstoffübergangskoeffizient und O2-Bilanz in belüfteten Suspensionsbioreaktoren 196
6.2 Biofilm-Reaktoren 199
6.3 Leistungseintrag