12.5.1 Biologischer Abbau
Da Biodieselkomponenten leichter biologisch abbaubar sind als fossile Kraftstoffe, können sie in aquatischer Umgebung schnell abgebaut werden (Zhang et al., 1998). Obwohl der direkte Zusammenhang zwischen dem Grad der Ungesättigtheit der Fettsäureester und dem Abbau von Biodiesel noch nicht eindeutig geklärt ist, macht ein hoher Grad an Ungesättigtheit Biodiesel chemisch weniger stabil, so dass die Oxidation und der anschließende Abbau begünstigt werden (DeMello et al., 2007). Für die biologische Abbaugeschwindigkeit von Fettsäureestern mit unterschiedlichen Kohlenstoffzahlen gibt es ebenfalls keine einheitlichen Regeln (Miller und Mudge, 1997; DeMello et al., 2007), und einige Forscher haben berichtet, dass mit Biodiesel kontaminiertes Wasser innerhalb von zwei Tagen erheblich abgebaut wird (Prince et al., 2008).
Für Biodiesel und Dieselmischungen wurden die biologischen Abbaugeschwindigkeiten von Fettsäureestern und Dieselkohlenwasserstoffen verglichen, und auch der Beitrag von Biodiesel zum biologischen Abbau von Diesel wurde verglichen. Es wurden verschiedene Schlussfolgerungen gezogen. Einige Forscher haben festgestellt, dass die Anwesenheit von Biodiesel den biologischen Abbau von Kohlenwasserstoffen nicht beschleunigt (DeMello et al., 2007; Owsianiak et al., 2009; Corseuil et al., 2011). So wurde beispielsweise der Abbau von Benzol und Toluol unter anoxischen und hypoxischen Bedingungen durch die Anwesenheit von Biodiesel behindert (Corseuil et al., 2011). Die Autoren schlossen daraus, dass die relativ hohe Viskosität von Biodiesel das Migrationspotenzial der Zielkohlenwasserstoffe einschränkt, was zu ihrem relativ langsamen natürlichen Abbauprozess führt. DeMello et al. (2007) fanden auch heraus, dass FAMEs etwa gleich schnell wie n-Alkane und schneller als andere Kohlenwasserstoffkomponenten mit aeroben Meerwasser-Mikrokosmen abgebaut wurden; die aus diesen verschiedenen Mikrokosmen extrahierten Rückstände waren innerhalb von Wochen im Wasser nicht nachweisbar. Einige Forscher (Prince et al., 2008) haben festgestellt, dass der Abbau von FAMEs und Dieselkohlenwasserstoff in B20 extrem schnell war und die Halbwertszeiten des biologischen Abbaus von FAMEs in B20-Mischungen im gleichen Bereich wie die von Alkanen lagen. Der biologische Abbau von aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstofffraktionen in gesättigten Sandmikrokosmen, die mit Diesel/Biodiesel-Gemischen versetzt waren, wurde kürzlich bewertet (Lisiecki et al., 2014). Es wurde festgestellt, dass das Ausmaß des biologischen Abbaus sowohl aliphatischer als auch aromatischer Kohlenwasserstoffe durch die Zugabe von Biodiesel nicht beeinflusst wurde, unabhängig von der Biodieselkonzentration. Daher stellten die Autoren fest, dass die Beimischung von Biodiesel keinen Einfluss auf den langfristigen biologischen Abbau bestimmter Dieselölfraktionen hatte.
Einige Forscher haben jedoch über den erleichterten biologischen Abbau von Kohlenwasserstoffen berichtet, wenn FAMEs vorhanden waren, was darauf hindeutet, dass Biodiesel den biologischen Abbau über die kometabolische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen beeinflusst (Zhang et al., 1998; Mudge und Pereira, 1999; Pasqualino et al., 2006). Der Beitrag von Biodiesel zum biologischen Abbau von Diesel deutet darauf hin, dass das Vorhandensein von Biodiesel den biologischen Abbau einiger Erdölkohlenwasserstoffe aufgrund der Förderung des mikrobiellen Wachstums (Miller und Mudge, 1997; Mudge und Pereira, 1999) und auch der erhöhten Löslichkeit von Kohlenteerkohlenwasserstoffen und der Bioverfügbarkeit (Emulsion) (Taylor und Jones, 2001) erleichtern könnte, insbesondere wenn der Biodieselgehalt höher war (Pasqualino et al., 2006). Die Schlussfolgerung ist, dass die kometabolische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen für den verbesserten biologischen Gesamtabbau des Gemischs in Gegenwart von Biodiesel verantwortlich sein könnte. Auf der Grundlage dieses Phänomens wurde Biodiesel als biologisches Lösungsmittel für die Sanierung von erdölverschmutzten Standorten eingesetzt (Taylor und Jones, 2001; Fernádez-Álvarez et al., 2007). So könnte Biodiesel beispielsweise zur Sanierung von Küsten eingesetzt werden, die nach dem Untergang des Tankers „Prestige“ mit Erdölrückständen kontaminiert waren, und zwar nicht nur durch das Lösen von Erdölrückständen aus dem Gestein, sondern auch durch die Förderung des biologischen Abbaus einiger Restkohlenwasserstoffe. Kürzlich wurde ein simuliertes System verwendet, um die Wirkung und den Mechanismus von Biodiesel bei der Entfernung von Öl aus Küstengebieten zu untersuchen (Xia et al., 2015). Sie fanden heraus, dass die Anwendung von Biodiesel auf mit Rohöl verunreinigte Kieselsteine das restliche Öl wirksam von den Kieselsteinen löste, wenn keine Kohlenwasserstoffabbauer vorhanden waren. Die Zugabe von Biodiesel oder Nährstoffen erhöhte die Menge an Erdölabbauern und die mikrobielle Aktivität im Meerwasser und verringerte die Halbwertszeit des biologischen Ölabbaus.
Um die biologische Abbaubarkeit von Biodiesel/Dieselmischungen in kalten Klimazonen zu verstehen, wurde die Auswirkung der Temperatur auf den Abbau von Heizungsdiesel, reinem Fisch-Biodiesel und Biodieselmischungen durch natürlich vorkommende Mikroorganismen in kontaminiertem Sand aus dem Landesinneren von Alaska untersucht (Horel und Schiewer, 2011). Es wurde festgestellt, dass Biodiesel und seine Mischungen eine höhere biologische Abbaubarkeit aufwiesen als reiner Diesel; die biologischen Abbauraten nahmen mit der Temperatur und dem Biodieselanteil zu, und die Verzögerungsphase war bei 20 °C kürzer als bei 5 °C. Kürzlich untersuchten dieselben Forscher (Horel und Schiewer, 2014) auch den Einfluss von Inokula mit vorheriger Kohlenwasserstoffexposition auf die biologischen Abbauraten von Diesel, synthetischem Diesel und Fisch-Biodiesel im Boden. Sie fanden heraus, dass verschiedene Inokula keine ausgeprägte Wirkung auf die Ratenkonstanten der verzögerten oder exponentiellen Phase hatten. Der Hauptnutzen der Bereitstellung eines spezifischen Inokulums bestand in der Verkürzung der Verzögerungsphase. Die Wirkung des Inokulums wurde jedoch geringer, nachdem die tägliche Atmung ihren Höhepunkt erreicht hatte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die einheimischen mikrobiellen Gemeinschaften in der Lage waren, die Schadstoffe im Boden abzubauen, und dass die Zugabe spezifischer Inokula nicht erforderlich war. Die biologische Abbaubarkeit von Biodiesel und dessen Mischungen mit Diesel im Boden wurde durch einheimische Mikroorganismen in Waldboden-Mikrokosmos-Experimenten untersucht (Silva et al., 2012). In dieser Studie wurde festgestellt, dass Biodiesel in kontaminierten Böden biologisch besser abbaubar ist als Diesel. Der höhere Anteil von Biodiesel in Mischungen begünstigte den biologischen Abbau von Diesel. B20 und B100 wurden von Bodenmikroben besonders gut abgebaut; B50 hingegen wurde zwar besser abgebaut als reiner Diesel, war aber den anderen beiden Mischungen unterlegen. Trotz des Abbaus beeinträchtigte reiner Biodiesel die Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaft, sowohl was die Anzahl der Heterotrophen als auch die Anzahl der Banden betrifft. In ähnlicher Weise hat sich das ausgewählte Bakterienkonsortium zusammen mit dem System zugesetzten Makronährstoffen als wirksam erwiesen, um den biologischen Abbau von reinem Biodiesel in einem Oxisol zu beschleunigen, und das Vorhandensein von Biodiesel erhöhte den biologischen Abbau von Mineralöldiesel (Meyer et al., 2014).