Prozessverständnis des LCKW-Abbaus...2011/04/08 · MIT DEM MPN-TEST (MOST PROBABLE NUMBER)...

Prozessverständnis des LCKW-AbbausAktueller Kenntnisstand und neue Forschungsaktivitäten

Kathrin Schmidt, Andreas Tiehm

April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart

VORTRAGSINHALTE

warum Mikrobiologie bei NA?

aktueller Kenntnisstand zum mikrobiellen Abbau von Chlorethenen

Vor- und Nachteile der verschiedenen Abbauprozesse

Nachweis mikrobieller Abbauprozesse im Feld

Forschungsaktivitäten am TZW


WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ?

ungesättigte Bodenzone

Industrie‐standort

AquifergesättigteBodenzone

Grundwasser‐Fließrichtung

SchadensherdeAblagerung

DNAPL (LCKW)

Aquitard

WasserwerkRezeptor

NA-Prozesse bewirken die Elimination der Schadstoffe

Schadstofffahne


WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ?

„natürliche Schadstoffminderungsprozesse (Natural Attenuation = NA) sind physikalische, chemische und biologische Prozesse,die ohne menschliches Eingreifen zu einer Reduzierung von

Masse Fracht Toxizität Mobilität Volumen Konzentration LABO-Positionspapier

eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen“

sind bei vielenGrundwasserschäden

die maßgebendenfrachtreduzierenden

Prozesse


MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN

Aerob-oxidativer Abbauje weniger Chloratome desto leichter abbaubar

CO2

Cl-

H2OH HC = C

H Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl Cl

Anaerob-reduktiver Abbauje mehr Chloratome desto leichter abbaubar

Auxiliar-substrate

PCE

TCE

cDCE

VC

Ethen

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

H H

H2

Chlorethene Sauerstoff(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptor)werden oxidiert wird reduziert

Auxiliarsubstrate Chlorethene(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren)werden oxidiert werden reduziert

O2


EthenVCcDCETCE






DNAPL (LCKW)

Aquitard

PCE

Anaerobe, stark reduzierende Milieubedingungen erforderlichAnwesenheit von Dehalococcoides sp. erforderlich

VOLLSTÄNDIGE ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG


WasserwerkRezeptor


Desulfomonile sp.Desulfuromonas sp. Dehalobacter sp.Desulfitobacterium sp.

Dehalococcoides sp.H H

C = CH Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl Cl

Anaerob-reduktiver Abbau Reduktive Dechloriererje mehr Chloratome desto leichter abbaubar

Auxiliar-substrate

PCE

TCE

cDCE

VC

Ethen

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

H H

H2


REDUKTIV DECHLORIERENDE BAKTERIEN

Begleitreaktionen wieSulfatreduktion undMethanogenese


ungesättigte BodenzoneSchadensherde

Ablagerung

DNAPL (LCKW)

Aquitard

PCE EthenVCcDCETCE


Methan

H 2SMethan

Methan

H 2S


unkontaminiertesoxidiertes Grundwasser

unkontaminiertesstark reduziertes Grundwasser


ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNGMIT BEGLEITREAKTIONEN: BILDUNG VON CH4 UND H2S

WasserwerkRezeptor






DNAPL (LCKW)

Aquitard

PCE VCcDCETCE

wird oft beobachtet bei- nicht ausreichend anaerobem Milieu - Abwesenheit von Dehalococcoides sp.

WasserwerkRezeptor


kontaminiertesggf. reduziertes Grundwasser


ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNGMIT AKKUMULATION VON cDCE UND VC






DNAPL (LCKW)

Aquitard

VCcDCETCE

Anaerobe Milieu-bedingungen

Aerobe Milieu-bedingungen

WasserwerkRezeptor


PCE

unkontaminiertesoxidiertes Grundwasser

CO2

Cl-H2O


AEROBER ABBAU VON TCE, cDCE UND VC



VORTEILE

DES AEROBEN ABBAUS GEGENÜBER DEM ANAEROBEN ABBAU

keine Bildung stabiler toxischer Metabolite

keine reduzierenden Bedingungen erforderlich kein Bedarf an Auxiliarsubstraten zur Zehrung von Sauerstoff und weiterer alternativer Elektronen-Akzeptoren

keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und Methanogenese keine Verschlechterung der Grundwasserqualität


cometabolischer Abbau mit Auxiliarsubstraten

produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate

CO2

Cl-

H2O

O2

Chlorethene werden als Energiequelle oxidiertund dienen als Wachstumssubstrat

Cl ClC = C

Cl ClPCE

Cl HC = C

Cl ClTCE

H HC = C

Cl ClcDCE

H HC = C

H ClVC

CO2

Cl-

H2O

O2

Auxiliar-substrate

Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiertChlorethene werden zufällig mit umgesetzt

wiederholt in der Literatur beschrieben

vereinzelt in der Literatur beschriebenoft bleibt die Rolle von z.B. Ammonium als mögliches Auxiliarsubstrat unklar

sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben

z.B. mit Ammonium, Methan



AEROBER ABBAU VON CHLORETHENEN


(für die Umsetzung von 1 mg CKW verwendete Menge, Literatur)Auxiliarsubstrate

(6,9 mg) Ammonium NH4+ + 2 O2 NO3

- + H2O + 2 H+

(5,6 mg) Methan CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

(100 mg) Essigsäure CH3COOH + 2 O2 2 CO2 + 2 H2O

produktiver Abbau:(0 mg) cDCE C2H2Cl2 + 2 O2 2 CO2 + 2 HCl

(für die Umsetzung von 1 mg CKW verwendete Menge, Literaturdaten)

(6,9 mg)

(5,6 mg)

(100 mg)

(0 mg)

beim produktiven Abbau kein Bedarf an Auxiliarsubstraten

COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU

UMSETZUNG DER AUXILIARSUBSTRATE


beim produktiven Abbau keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate

27 mg CKW produktiv

13 mg Na-Essigsäure als Auxiliarsubstrat

2,5 mg Methan als Auxiliarsubstrat

2,8 mg Ammonium als Auxiliarsubstrat

10 mg Sauerstoff ermöglichen den Abbau von

0 20 40 60 80 100

prozentualer Sauerstoffverbrauch [%]

0,40 mg CKW cometabolisch



COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU

SAUERSTOFFZEHRUNG DURCH AUXILIARSUBSTRATE


VORTEILE

DES PRODUKTIVEN ABBAUS GEGENÜBER DEM COMETABOLISCHEN ABBAU

kein Bedarf an Auxiliarsubstraten keine zusätzlichen Kosten keine Probleme mit Einmischung etc.

geringerer Bedarf an Sauerstoff, da keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate


NACHWEIS MIKROBIELLER NA-PROZESSE IM FELD

Schadstoffprofil

Hydrochemie, Redoxzonierung

Mikrobiologische Bestandsaufnahme (MPN)

Molekularbiologischer Nachweis (PCR)

Mikrobiologische Abbauversuche

Isotopenfraktionierung


SCHADSTOFFPROFIL

Schadstoffprofil am Standortkann Hinweise aufAbbauvorgänge geben

Spezifische Metabolite im Abstrom

zeigen Schadstoffumsetzung

(mikrobiologisch oder abiotisch)

H HC = C

H Cl

H HC = C

H Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl ClPCE

TCE

cDCE

VC

Ethen

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

H H

H HC = C

H H


HYDROCHEMIE

Hydrochemische Standort-Bedingungen grenzen mögliche Abbauprozesse ein

Nachweis von Elektronen-Akzeptoren (Sauerstoff, Nitrat, Eisen, Mangan, Sulfat) und Respirationsprodukten ( Redoxzonierung)

Informationen über die Verfügbarkeit von Auxiliarsubstraten, Nährstoffen

O2 H2O

NO3- N2

Fe(III) Fe(II)

Mn(IV) Mn(II)

SO42- S2-

CO2 CH4


MIKROBIOLOGISCHE BESTANDSAUFNAHME

MIT DEM MPN-TEST (MOST PROBABLE NUMBER)

Quantifizierung von Mikroorganismen-gruppen in Grundwasser- oder Bodenproben

Vergleichende Quantifizierung aktiver Schadstoff-abbauender Gruppen

Nachweis redox-aktiver Gruppen ergänzt hydrochemische Daten zur Redoxzonierung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABC

EFGH

D

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABC

EFGH

D


MOLEKULARBIOLOGISCHER NACHWEIS

MIT PCR (POLYMERASE CHAIN REACTION)

Selektiver Nachweis Schadstoff-abbauender Spezies in Grundwasser- oder Bodenproben

Spezifische mikrobiologische Populationsanalyse

Schneller Nachweis der DNA ausgewählter Organismen (müssen molekularbiologisch charakterisiert sein)


MIKROBIOLOGISCHE ABBAUVERSUCHE

Nachweis am Standort auftretender mikrobiologischer Abbauprozesse

Standortmaterial (Grundwasser, Sediment)

Mikrokosmen

Inkubation unter Standort-nahen Bedingungen

Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen


Nachweis mikrobiologischer NA-Prozesse am Standort mittels chemischer Analytik

Quellendifferenzierung und Verursacherzuordnung

Quantifizierung des biologischen Abbaus

13/12C-ISOTOPENFRAKTIONIERUNG

Bakteriensetzen 12C schneller

um als 13C

Bakteriensetzen 12C schneller

um als 13C

13C

13C

13C13C

12C12C

12C12C

12C12C

12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C 12C

12C 12C12C

12C

13C13C

13C

13C

13C13C

12C12C

12C12C

12C12C

12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C 12C

12C 12C12C

12C

13C13C

Ausgangssubstanz mit spezifischem

Isotopenverhältnisδ13C z.B. -25‰

gebildete Verbindung

abgereichert an 13C

δ13C z.B. -30‰„leichter“

13C12C

12C12C

12C12C12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C12C

13C

verbleibende Substanz

angereichert an 13C

δ13C z.B. - 15‰„schwerer“

13C13C

12C12C

12C

12C12C12C

13C13C

und


abgereichert an 13C


13C12C

12C12C

12C12C12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C12C

13C


abgereichert an 13C


13C12C

12C12C

12C12C12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C12C

13C

13C12C

12C12C

12C12C12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C12C

13C

verbleibende Substanz

angereichert an 13C

δ13C z.B. - 15‰„schwerer“

13C13C

12C12C

12C

12C12C12C

13C13C

13C13C

12C12C

12C

12C12C12C

13C13C

und


Ein umfassendes Prozessverständnis der biologischen Abbauvorgänge an einem Standort

- ist für die Anwendung von NA (MNA / ENA) erforderlich

- ermöglicht eine Gefährdungsabschätzung und Prognose

- wird erreicht durch

- eine abgestufte Vorgehensweise

- angepasst an die Standort-Begebenheiten

- verschiedene Methoden in Kombination (multiple lines of evidence approach)

H HC = C

H Cl

H HC = C

H Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl ClPCE

TCE

cDCE

VC

Ethen

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

H H

H HC = C

H H

O2 H2O

NO3 N2

Fe(III) Fe(II)

Mn(IV) Mn(II)

SO4 S2-

CO2 CH4

1 2 3 4 5 6 7 8 9101112ABCEFGH

D

1 2 3 4 5 6 7 8 9101112ABCEFGH

D

PolymerasePrimer

1

3

2

ZUSAMMENFASSUNG FELDANWENDUNG


FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW

BMBF (RUBIN – GaFeR): Teilprojekt Analyse und mögliche Steuerung mikrobiologischer Prozesse zur Ertüchtigung von Fe(0)-Reaktionswänden

BMBF (KORA): Feldstudie zum natürlichen Abbau und Rückhalt von Chlorkohlenwasserstoffen am Beispiel des Industriestandortes Frankenthal – Mechanismen und Kinetik des LCKW-Abbaus

BMBF (KORA): Untersuchungen zum Natural Attenuation der LCKW-Verunreinigung Karlsruhe-Ost/Killisfeld –Mikrobiologischer LCKW-Abbau unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von Huminstoffen

BMWi (AiF – ZUTECH): Entwicklung eines Bio-Elektro-Verfahrens zur in-situ Sanierung von LCKW-Schäden

ABGESCHLOSSENE PROJEKTE


Nitrat-Reduktion

Sulfat-Reduktion

Methanogenese

Acetogenese

0 200 400 600 800 1000 1200

Versuchsdauer (Tage)

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

10,0

pH-W

ert

H2-konsumierende Prozesse vermindern Gas-Clogging

Nitrat-Reduktion

Sulfat-Reduktion

Methanogenese

Acetogenese

0 200 400 600 800 1000 1200

Versuchsdauer (Tage)

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

10,0

pH-W

ert

H2-konsumierende Prozesse vermindern Gas-Clogging






Aerob-oxidativer Abbauje weniger Chloratome desto leichter abbaubar

CO2

Cl-

H2O

H HC = C

H Cl

Cl HC = C

Cl Cl

Cl ClC = C

Cl Cl

Anaerob-reduktiver Abbauje mehr Chloratome desto leichter abbaubar

PCE

TCE

cDCE

VC

Ethen

H HC = C

Cl Cl

H HC = C

H H

O2xproduktiver Abbau

ohne Auxiliarsubstrate

Aerober Abbau trägt maßgeblich zur Schadstoff-Elimination bei

Auxiliar-substrate

H2




0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 5 10 15 20

Zeit [Wochen]

c/c 0

[%]

cis-1,2-DichlorethenVinylchlorid

+ VC

+ VC+ cDCE

produktiver Abbau von VC cometabolischer Abbau von cDCE




Power supply

H2

H2

H2

O2

O2

O2

PCE, TCE cDCE, VC, Ethen

Dechlorinationwith O2

Contaminatedgroundwater

Microbial degradation(reductive)

Microbial degradation(oxidative)

Cathode Anode- +

Groundwater table

Power supply

H2

H2

H2

H2

H2

H2

O2

O2

O2

O2

O2

O2

PCE, TCE cDCE, VC, Ethen

Dechlorinationwith O2

Contaminatedgroundwater

Microbial degradation(reductive)

Microbial degradation(oxidative)

Cathode Anode- +

Groundwater table



BMWi (AiF – IGF): Nutzung neuer produktiver Abbauprozesse für die aerobe mikrobiologische Sanierung von CKW-Standorten

BMWi (AiF – ZIM): Entwicklung und Anwendung von PCR-Methoden zur schnellen Ermittlung von Isotopen-Anreicherungsfaktoren

BMBF (NanoNature – NAPASAN (Nano-Partikel zur Sanierung von Grundwasserschadensfällen)): Teilprojekt Wechsel-wirkungen zwischen mikrobieller und abiotischer CKW-Dechlorierung – Synergien und toxische Effekte

BMBF (deutsch-israelische Kooperation): Stimulierung des biologischen Abbaus komplexer halogenorganischer Schadstoffe in industriellem Abwasser

LAUFENDE PROJEKTE


FAZIT

mikrobiologische Abbauprozesse werden in der Altlastenbearbeitung im Rahmen von MNA (Monitored Natural Attenuation) oder ENA (Enhanced Natural Attenuation) genutzt

für die Anwendung von NA (MNA / ENA) ist ein umfassendes Prozessverständnis der biologischen Abbauvorgänge an einem Standort erforderlich

aerobe Abbauprozesse bieten viel versprechende Möglichkeiten


unseren Zuwendungsgebern (BMBF, BMWi) für die finanzielle Förderung

unseren Projektpartnern für die Zusammenarbeit

unseren Kollegen am TZW für die Mitarbeit

und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!

DANKE


AUSGEWÄHLTE VERÖFFENTLICHUNGEN

Tiehm A., Schmidt K. R. (2011) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes – aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol.: in press.

Schmidt K. R., Augenstein T., Heidinger M., Ertl S., Tiehm A. (2010) Stable carbon isotope fractionation during aerobic, metabolic biodegradation of cis-1,2-dichloroethene. Chemosphere 78(5): 527-532.

Zhao H.-P., Schmidt K. R., Tiehm A. (2010) Inhibition of aerobic metabolic cis-1,2-di-chloroethene biodegradation by other chloroethenes. Water Res. 44: 2276-2282.

Schmidt K. R. (2009) Natural attenuation am Standort Frankenthal: mikrobiologischer sequentiell anaerob-aeroberChlorethen-Abbau mit Kohlenstoff-Isotopenfraktionierung. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 43.

Lohner S. T., Tiehm A. (2009) Application of electrolysis to stimulate microbial reductive PCE dechlorination and oxidative VC biodegradation. Environ. Sci. Technol. 43(18): 7098–7104.

Lohner S. T. (2008) Stimulation des mikrobiologischen Chlorethen-Abbaus durch Einsatz von Elektrolyse. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 37.

Tiehm A., Schmidt K. R., Pfeifer B., Heidinger M., Ertl S. (2008) Growth kinetics and carbon isotope fractionation during aerobic degradation of cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride. Water Res. 42: 2431-2438.

Schmidt K. R., Tiehm A. (2008) Natural attenuation of chloroethenes: Identification of sequential reductive/oxidative biodegradation by microcosm studies. Water Sci. Technol. 58(5): 1137-1145.

Tiehm A., Schmidt K. R. (2007) Methods to evaluate biodegradation at contaminated sites. In: Knödel K., Lange G., Voigt H.-J. (Eds.): Environmental geology – Handbook of field methods and case studies. Springer. Berlin, Heidelberg: 876-911.

Martin H., Heidinger M., Ertl S., Eichinger L., Tiehm A., Schmidt K., Karch U., Leve J. (2006) 13C-Isotopenuntersuchungen zur Bestimmung von Natural Attenuation – Abgrenzung und Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech. 3-4: 14-17.

Schmidt K. R., Stoll C., Tiehm A. (2006) Evaluation of 16S-PCR detection of Dehalococcoides at two chloroethene-contaminated sites. Water Sci. Technol.: Water Supply 6(3): 129-136.

Für weitere Fragen [email protected]; 0721 / 9678-223 [email protected]; 0721 / 9678-137

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