1540 Schmidt Biologischer Abbau


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NATURAL ATTENUATION (NA)

BIOLOGISCHER ABBAU – UNTERSUCHUNGSMETHODEN UND ERGEBNISSE

Wasserwerk Rezeptor

Industriestandort

ungesättigte Bodenzone

Ablagerung

Schadensherde

MAGPlan Abschlusskonferenz, 02.07.2015

LNAPL

Kathrin R. Schmidt, Andreas Tiehm GrundwasserFließrichtung

Aquifer gesättigte Bodenzone

Schadstofffahne DNAPL (LCKW)

Aquitard

„Natürliche Schadstoffminderungsprozesse sind biologische, chemische und physikalische Prozesse, die ohne menschliches Eingreifen zu einer Verringerung (…) eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen“

Der biologische Abbau ist bei vielen Fällen der maßgebende frachtreduzierende Prozess.

OFFENE FRAGEN VOR ANWENDUNG VON NA

MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN Anaerob-reduktiver Abbau

Aerob-oxidativer Abbau

je mehr Chloratome desto leichter abbaubar

je weniger Chloratome desto leichter abbaubar

Cl

=C

Cl

Cl

Cl

=C

Cl

Cl

H

H C

Cl

H

H C

=C Cl

H

H C

H2O

VC

H

=C

O2

ungesättigte Bodenzone

Ablagerung

Schadensherde LNAPL

ClcDCE

=C

Cl

H

CO2 TCE

Welche Abbauprozesse sind

GrundwasserFließrichtung

?Schadstofffahne ? ? ? im Untergrund wirksam?

Aquifer gesättigte Bodenzone

DNAPL (LCKW)

Aquitard

welche Schadstoffe werden abgebaut?

Ethen H

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

Chlorethene (Elektronen-Donoren) werden oxidiert

Sauerstoff (Elektronen-Akzeptor) wird reduziert

welche Milieubedingungen sind erforderlich? wie effizient ist der Abbau?

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

MOLEKULARBIOLOGISCHER NACHWEIS (PCR)

NACHWEISMETHODEN

Schadstoffmuster Redoxmilieu

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

PCE

TCE cDCE

VC

Ethen

Nachweis von bestimmten Mikroorganismen in Feldproben (Grundwasser, Boden)

Aerob/ anaerob 12C

Isotopenuntersuchung

13C

Keimzahl-Bestimmung (MPN)

PCR (Polymerase Chain Reaction): Molekularbiologischer Nachweis der DNA (= Erbgutinformation)

Abbau schneller Abbau langsamer 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112 A B C D E F G H

Schadstoff-abbauende Bakterien/ Enzyme liefern Informationen zum Abbaupotential

Molekularbiologischer Nachweis (PCR)

Redox-aktive Bakterien/ Enzyme und hydrochemische Daten ermöglichen Beurteilung des Redoxmilieus

Mikrobiologische Abbauversuche Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Abbildung von http://bbruner.org/bitn/br_c1.htm

H2

PCE

H C

Wasserwerk Rezeptor

Industriestandort

Cl C

Auxiliarsubstrate

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

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MIKROBIOLOGISCHE ABBAUVERSUCHE

PCR – DURCHFÜHRUNG Wasserprobe

Nachweis am Standort auftretender mikrobiologischer Abbauprozesse

Membranfiltration Bakterien Zell-Lyse

Standortmaterial (Grundwasser, Sediment)

DNA, Proteine, Zelltrümmer

Labor-Mikrokosmen oder in-situ (Bactraps) Standort-nahe oder gezielt veränderte Bedingungen

DNA-Extraktion und Reinigung DNA

Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen

PCR Amplifizierte DNA ggf. Quantifizierung

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

ABBAUVERSUCHE – DURCHFÜHRUNG

MAGPlan – ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG

Wasserproben

1 Grundwasserprobe vom Standort Hunklinge

Befüllung der Gefäße direkt im Feld

1 x quantitative PCR ggf. Zugabe

Anaerob reduktiv dechlorierende Organismen

von Sediment, Schadstoffen, Auxiliarsubstraten, Nährstoffen

PCE PCE

Ethen: Dehalococcoides sp. cDCE: Desulfomonile, Desulfuromonas, Dehalobacter, Desulfitobacterium sp.

Anaerob reduktiv dechlorierende Enzyme von Dehalococcoides

Inkubation unter relevanten Bedingungen

PCE

TCE (pceA), TCE

Ethen (tceA), cDCE

Ethen (vcrA), VC

Ethen (bvcA)

2 x Abbauversuche: keine Abbauaktivität Proben-Entnahme und Analytik anaerobes Milieu und VC im Feld nachgewiesen

auf Schadstoffabbau und Redoxchemie

geringes Potential für vollständige anaerob-reduktive Dechlorierung bis zum Ethen

Bewertung Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

MAGPlan – AEROB-OXIDATIVER ABBAU (TÜBINGER STR.)

2 Grundwasserproben vom Standort Tübinger Straße 3 Grundwasserproben aus dem Innenstadtgebiet 3 Versuchsbedingungen: Grundwasser unverändert Dosierung von anorganischen Nährstoffen (Phosphat, Nitrat, Spurenelemente) abfiltrierte Biomasse in Organik-freiem Mineralmedium in alle Versuche wurde TCE dosiert

TCE in Sterilkontrolle D4 ST [mg/L]

MAGPlan – AEROB-OXIDATIVER ABBAU

1,5

0,15

Sterilkontrolle 1,2

0,12

aktiver Ansatz

0,9

0,09

0,6

0,06

0,3

0,03

0,0

TCE in aktivem Ansatz D4 [mg/L]

des Standort-spezifischen Abbaupotentials

0,00 0

100

200

300

400

Zeit [Tage] Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

reproduzierbarer (2 Nachdosierungen) TCE-Abbau im biologisch aktiven Ansatz

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

2

MAGPlan – AEROB-OXIDATIVER ABBAU (VERSCH. MST)

MAGPlan – ZUSAMMENFASSUNG

TCE [mg/L]

0,14

Tübinger Straße (D7)

0,12

Innenstadt (MAG12)

geringes Potential für vollständige anaerob-reduktive Dechlorierung bis zum Ethen in der 1 exemplarisch untersuchten Grundwasserprobe

Grundwasser mit Nährstoffen in Mineralmedium

0,10 0,08 0,06

aerob-produktiver TCE-Abbau in den 5 exemplarisch untersuchten Grundwasserproben

0,04 0,02

P172

TCE [mg/L]

0,00 0,14

P172 NS

P172 MM

ausreichendes Prozessverständnis für die Nutzung im Rahmen von MNA/ ENA erforderlich, z.B.: tritt der TCE-Abbau flächendeckend auf? ist die TCE-Abbauleistung ausreichend, um die Abstrom-Konzentrationen zu kontrollieren? muss/ kann der TCE-Abbau stimuliert werden?

Innenstadt (P172)

0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

Innenstadt (MAG13)

0,00 0

50

100

150

200 0

50

Zeit [Tage]

100

150

200

der aerobe Abbau von TCE macht anaerobe Abbauschritte bei TCE-Schäden überflüssig

Zeit [Tage]

TCE-Abbau ohne organische Hilfsstoffe

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

VORTEILE

AEROBER ABBAU VON CHLORETHENEN

DES AEROBEN ABBAUS GEGENÜBER DEM ANAEROBEN ABBAU

cometabolischer Abbau mit Auxiliarsubstraten

produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate O2

O2

keine Bildung stabiler toxischer Metabolite

sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben

CO2 keine reduzierenden Bedingungen erforderlich

Clz.B. mit Ammonium, Methan

H2O

Cl C

z.B. mit Ammonium, Methan

Cl

Cl Cl

Cl

H

H C

keine Verschlechterung der Grundwasserqualität Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Cl-

cDCE

=C

Cl

Cl

H

H

=C Cl

Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiert Chlorethene werden zufällig abgebaut

CO2

TCE

=C

H

Auxiliarsubstrate

am TZW erstmals nachgewiesen bislang an drei Standorten

H C

C

keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und Methanogenese

PCE

=C

Cl z.B. mit Ammonium, Methan

kein Bedarf an Auxiliarsubstraten zur Zehrung von Sauerstoff und weiterer alternativer Elektronen-Akzeptoren

Cl

VC

selten in der Literatur beschrieben

oft in der Literatur beschrieben

Chlorethene werden als Energiequelle und Wachstumssubstrat oxidiert

H2O

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

CHLORETHEN-ABBAU UND SAUERSTOFF-BEDARF

VORTEILE DES PRODUKTIVEN ABBAUS GEGENÜBER DEM COMETABOLISCHEN ABBAU

ungesättigte Bodenzone

Ablagerung

Schadensherde

GrundwasserFließrichtung

kein Bedarf an Auxiliarsubstraten keine zusätzlichen Kosten

TCE-Fahne 500m lang, 20m breit, 10m mächtig 1mg/L 100 kg TCE gesamt

Aquifer gesättigte Bodenzone

DNAPL (LCKW)

keine Probleme mit Einmischung etc.

Aquitard

Sauerstoff-Verbrauch (kg) beim Abbau von 100 kg TCE: geringerer Bedarf an Sauerstoff, da keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

co-metabolisch

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

3

LEISTUNGSFÄHIGKEIT DES AEROBEN ABBAUS vollständige Elimination (Mineralisierung) keine Bildung stabiler Abbauprodukte reproduzierbar und langzeitstabil

[email protected]

+ O2

hohe CKW-Konzentrationen abbaubar

CO2, H2O, Clniedrige Sauerstoff-Konzentrationen ausreichend Toleranz gegenüber einem weiten Bereich an UmweltBedingungen (z.B. Temperatur, pH-Werte, Hungerzeiten) Bakterien-Wachstum (Protein- und DNA-Bildung) [hemmende Effekte bei Substanz-Gemischen möglich] Bestimmung des Standort-spezifischen aeroben Abbaupotentials mit Abbauversuchen in Mikrokosmen der aerob-produktive Abbau ist eine interessante Sanierungsstrategie für Chlorethene

Vielen Dank den Förderern, den Projektbeteiligten und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit ! [email protected]

Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015

Gaza S. (2015) Aerob-produktiver Abbau von Chlorethenen: Nachweis eines neuen Abbauweges für Trichlorethen. Dissertation, Technische Universität Dresden / DVGW-Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser Karlsruhe (ISSN 1434-5765), Band 66. Schmidt K. R., Gaza S., Voropaev A., Ertl S., Tiehm A. (2014) Aerobic biodegradation of trichloroethene without auxiliary substrates. Water Res. 59: 112-118. Ertl S., Heidinger M., Sakaguchi-Söder K., Tiehm A., Schmidt K., Kranzioch I., Eichinger F. (2014) Neue Isotopen-methoden - Chlor-, Kohlenstoff- und Wasserstoff-Isotopie bei der Bearbeitung von CKW-Schäden. TerraTech 1: 12-16. Schmidt K. R., Tiehm A. (2011) Natural attenuation am Chlorethen-Standort Frankenthal: Bedeutung des sequentiell anaerob-aeroben Bio-Abbaus. altlasten spektrum 05: 212-219. Tiehm A., Schmidt K. R. (2011) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes – aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol. 22(3): 415-421. Schmidt K. R., Augenstein T., Heidinger M., Ertl S., Tiehm A. (2010) Aerobic biodegradation of cis-1,2dichloroethene as sole carbon source: Stable carbon isotope fractionation and growth characteristics. Chemosphere 78(5): 527-532. 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 (10-11): 2431-2438. 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 Kathrin R. Schmidt, MAGPlan, 02.07.2015 Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech 3-4: 14-17.

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