AEROBER BIOLOGISCHER ABBAU VON VINYLCHLORID

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1 AEROBER BIOLOGISCER ABBAU VON VINYLCLORID 8. ChloroForum-Workshop, Bern-Ittigen, Dr. Kathrin Schmidt, Prof. Dr. Andreas Tiehm ÖKOSYSTEMLEISTUNG NATURAL ATTENUATION (NA) Schadensherde Industriestandort Ablagerung Wasserwerk Rezeptor ungesättigte Bodenzone LNAPL Grundwasser- Fließrichtung DNAPL (LCKW) Schadstofffahne Aquifer gesättigte Bodenzone Aquitard Natürliche Schadstoffminderungsprozesse sind biologische, chemische und physikalische Prozesse, die ohne menschliches Eingreifen zu einer Verringerung (.) eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen biologischer Abbau ist oft maßgeblich für Frachtreduktion biologische Sanierung / Bioremediation Dr. Kathrin Schmidt

2 MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN Anaerob-reduktiver Abbau je mehr Chloratome desto leichter abbaubar 2 PCE TCE cdce VC Ethen Auxiliarsubstrate Chlorethene (Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren) werden oxidiert werden reduziert Aerob-oxidativer Abbau je weniger Chloratome desto leichter abbaubar O 2 CO 2-2 O Chlorethene Sauerstoff (Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptor) werden oxidiert wird reduziert UNVOLLSTÄNDIGE ANAEROBE DECLORIERUNG Schadensherde Auxiliarsubstrate Industriestandort Ablagerung Wasserwerk Rezeptor ungesättigte Bodenzone Grundwasser- Fließrichtung PCE DNAPL (LCKW) TCE cdce VC Aquifer gesättigte Bodenzone Aquitard Akkumulation von cdce und VC WEGEN: nicht ausreichend anaerobem Milieu Abwesenheit von Dehalococcoides sp. kontaminiertes ggf. reduziertes Grundwasser Dr. Kathrin Schmidt 2

3 AEROBER ABBAU VON TCE, cdce UND VC Schadensherde Aerobe Milieubedingungen Industriestandort Ablagerung Wasserwerk Rezeptor ungesättigte Bodenzone Grundwasser- Fließrichtung PCE DNAPL (LCKW) TCE cdce VC CO 2-2 O Aquifer gesättigte Bodenzone Aquitard Anaerobe Milieubedingungen unkontaminiertes oxidiertes Grundwasser vollständiger Abbau unter aeroben Bedingungen ohne Metaboliten-Bildung AEROBER ABBAU VON CLORETENEN cometabolischer Abbau mit Auxiliarsubstraten produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate CO 2-2 O O 2 sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben z.b. mit Ammonium, Methan z.b. mit Ammonium, Methan z.b. mit Ammonium, Methan Auxiliarsubstrate PCE TCE cdce VC O 2 am TZW erstmals nachgewiesen selten in der Literatur beschrieben oft in der Literatur beschrieben CO 2-2 O Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiert Chlorethene werden zufällig abgebaut Chlorethene werden als Energiequelle und Wachstumssubstrat oxidiert Dr. Kathrin Schmidt 3

4 2 STANDORT-BEISPIELE AUS Ausgangsschadstoffe: PCE, TCE Killisfeld: anaerob-reduktiver Abbau bis cdce, VC, Ethen Frankenthal: anaerob-reduktiver Abbau bis cdce (VC) Anaerob-reduktiver Abbau je mehr Chloratome desto leichter abbaubar Auxiliarsubstrate PCE TCE cdce [ 2 ] VC Ethen Aerob-oxidativer Abbau je weniger Chloratome desto leichter abbaubar KILLISFELD cometabolischer Abbau mit VC als Auxiliarsubstrat produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate O 2 CO 2-2 O Aerob-oxidativer Abbau je weniger Chloratome desto leichter abbaubar FRANKENTAL produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate O 2 CO 2-2 O der aerobe Abbau leistet einen wichtigen Beitrag zur Schadstoff-Elimination in-situ VORKOMMEN 8 VC-Abbau cdce-abbau mit VC Anzahl Abbauversuche verschiedene Messstellen in Frankenthal zeigten alle untersuchten Messstellen aeroben VC-Abbau verschiedene Standorte bei 9 von 0 Standorten zeigten alle untersuchten Messstellen aeroben VC-Abbau aerober VC-Abbau ist weit verbreitet Dr. Kathrin Schmidt 4

5 VOLLSTÄNDIGER ABBAU stöchiometrische Chlorid-Bildung Mineralisierung zu Chlorid, Wasser und CO 2 KONZENTRATIONSBEREIC 3 mg/l 56 mg/l 0 mg/l über 00 mg/l VC sind gut abbaubar Dr. Kathrin Schmidt 5

6 ROBUSTEIT / SAUERSTOFF-BEDARF 5,0 4 0,8 VC [mg/l] 3 2 0,6 0,4 Sauerstoff [mg/l] VC flach VC Mitte VC tief Sauerstoff flach Sauerstoff Mitte Sauerstoff tief 0,2 0 0, Versuchsdauer [Tage] niedrige Sauerstoff-Konzentrationen reichen für Abbau aus Organismen überdauern lange Zeit (hier > Jahr) unter anaeroben Bedingungen und sind danach noch abbauaktiv ROBUSTEIT / WECSELWIRKUNGEN VC-Abbau quasi unbeeinflusst von der gleichzeitigen Anwesenheit weiterer Chlorethene Dr. Kathrin Schmidt 6

7 BAKTERIELLES WACSTUM Raumtemperatur Grundwassertemperatur produktiver Abbau: VC wird als einziges Substrat (= Kohlenstoffquelle) genutzt und ermöglicht bakterielles Wachstum ISOTOPEN-FRAKTIONIERUNG signifikante Isotopenfraktionierung (ε=-6,3±0,3) ermöglicht Nachweis und Quantifizierung des aeroben VC-Abbaus im Feld Dr. Kathrin Schmidt 7

8 ISOTOPEN-UNTERSUCUNG Nachweis mikrobiologischer NA-Prozesse am Standort mittels chemischer Analytik Quellen-und Verursacherzuordnung Quantifizierung des biologischen Abbaus Abbildung von Isotope = Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen, z.b. 2 C (leicht) und 3 C (schwer), beide stabil, d.h. nicht radioaktiv ISOTOPEN: BEISPIEL FRANKENTAL -23,5-23,9 PCE > 00 µg/l TCE > 00 µg/l cdce > 00 µg/l VC > 00 µg/l 0 m 200 m 400 m 600 m 800 m 000 m 200 m 400 m Summen-Signaturen -7,3-5,8 3 C-Isotopenanreicherung im Feld Konzentration VC mg/l VC δ 3 C Zeit [Tage] Bestimmung des Anreicherungsfaktors im Abbauversuch Quantifizierung des Abbaus im Feld Isotopen-Signatur Dr. Kathrin Schmidt 8

9 NACWEIS VON BIO-ABBAU / NA IM FELD!!!!!!!!! Welche Abbauprozesse sind im Untergrund wirksam? Isotopen Abbauversuche (Mikrokosmen)?????????? welche Schadstoffe werden abgebaut? unter welchen Milieubedingungen? wie effizient ist der Abbau? reicht MNA (monitored NA)? Stimulierung/ ENA (enhanced NA) nötig? welche Stimulierungs-Optionen gibt es? Mikrobiologische Bestandsaufnahme (PCR+MPN) Redoxmilieu Schadstoffmuster MIKROBIOLOGISCE ABBAUVERSUCE Nachweis am Standort auftretender mikrobiologischer Abbauprozesse Standortmaterial (Grundwasser, Sediment) Mikrokosmen Standort-nahe oder gezielt veränderte Bedingungen Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen Dr. Kathrin Schmidt 9

10 ABBAUVERSUCE DURCFÜRUNG Wasserproben Befüllung der Gefäße direkt im Feld ggf. Zugabe von Sediment, Schadstoffen, Auxiliarsubstraten, Nährstoffen Inkubation unter den relevanten Bedingungen Proben-Entnahme und Analytik auf Schadstoffabbau und Redoxchemie Bewertung des Standort-spezifischen Abbaupotentials MIKROBIOLOGISCE BESTANDSAUFNAME (PCR+MPN) PCR = Polymerase Chain Reaction Bakterien/ Enzym-spezifisch; setzt molekularbiologische Charakterisierung voraus Nachweis von DNA (= Erbgutinformation) MPN = Most Probable Number Keimzahl-Bestimmung (Kulturverfahren) Nachweis des Wachstums von Mikroorganismen-Gruppen mit bestimmten Leistungen im Labor A B C D E F G Verwendung von Feldproben (Grundwasser, Boden) Informationen zu Abbaupotential und Redoxmilieu A B C D E F G Verdünnungsreihe der Probe + VC gewachsene Bakterien Dr. Kathrin Schmidt 0

11 MIKROBIOLOGISCE BESTANDSAUFNAME (PCR+MPN) PCR hat sich in der Praxis für den Nachweis der anaerob-reduktiven Dechlorierung sehr bewährt Nachweis der Bakterien Desulfomonilesp., Desulfuromonassp., Dehalobactersp., Desulfitobacteriumsp., Dehalococcoides sp. und der Enzyme pcea, tcea, vcra, bvca qualitativ und quantitativ bisher bekannte Enzyme für produktiven aeroben VC- Abbau wenig spezifisch MPN wird in der Praxis für verschiedene Schadstoff- Verwerter verwendet aerobe VC-Verwerter sind weit verbreitet NACWEIS-METODEN ZUSAMMENFASSUNG Schadstoffmuster wichtige erste inweise, Daten liegen meistens vor PCE TCE cdce VC Ethen Redoxmilieu Aerob/ anaerob wichtige Randbedingung, Daten liegen oft vor Mikrobiologische Bestandsaufnahme PCR: schneller Nachweis mikrobieller Potentiale (v.a. anaerob-reduktiv) MPN: relativ schneller Nachweis mikrobieller Aktivitäten Abbauversuche (Mikrokosmen) liefern umfassende Kenntnisse des Abbauverhaltens Isotopenfraktionierung ermöglicht Unterscheidung zwischen Frachtreduktion durch biologischen Abbau und anderen NA-Prozessen sowie Quantifizierung A B C D E F G 2 C Abbau schneller 3 C Abbau langsamer Dr. Kathrin Schmidt

12 LEISTUNGSFÄIGKEIT DES AEROBEN VC-ABBAUS vollständige Elimination (Mineralisierung) keine Bildung stabiler Abbauprodukte benötigt in der Regel keine Auxiliarsubstrate hohe Konzentrationen abbaubar robust gegenüber Co-Kontaminanten niedrige Sauerstoff-Konzentrationen ausreichend Toleranz gegenüber einem weiten Bereich an Umwelt- Bedingungen (z.b. Temperatur, p-werte, ungerzeiten) Bakterien-Wachstum (Protein-Bildung) reproduzierbar und langzeitstabil + O 2 CO 2, 2 O, - AEROBER VC-ABBAU IN DER PRAXIS interessant für biologische Sanierungsstrategien Anwendung in sequentiellen anaerob-aeroben Verfahren 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- Bedingungen (Einzelfallbetrachtung) verschiedene Methoden in Kombination (multiple lines of evidence approach) Dr. Kathrin Schmidt 2

13 DANK für die finanzielle Förderung für die Zusammenarbeit den ProjektpartnerInnen für die Mitarbeit den KollegInnen am TZW Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit! LITERATUR + KONTAKT kathrin.schmidt@tzw.de; 072 / andreas.tiehm@tzw.de; 072 / Müller A., Schäfer W., Wickert F., Tiehm A. (2006) Nachweis und Identifikation von Natural Attenuation Prozessen in einer LCKW-Fahne. altlasten spektrum 6: Martin., eidinger M., Ertl S., Eichinger L., Tiehm A., Schmidt K., Karch U., Leve J. (2006) 3C- Isotopenuntersuchungen zur Bestimmung von Natural Attenuation Abgrenzung und Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech 3-4: 4-7. Schmidt K. R., Stoll C., Tiehm A. (2006) Evaluation of 6S-PCR detection of Dehalococcoides at two chloroethene-contaminated sites. Wa. Sci. Technol. 6(3): Tiehm A., Schmidt K. R., Pfeifer B., eidinger M., Ertl S. (2008) Growth kinetics and carbon isotope fractionation during aerobic degradation of cis-,2-dichloroethene and vinyl chloride. Water Res. 42 (0-): Schmidt K. R., Tiehm A. (2008) Natural attenuation of chloroethenes: identification of sequential reductive/oxidative biodegradation by microcosm studies. Water Sci. Technol. 58(5): Schmidt K. R. (2009) Natural attenuation am Standort Frankenthal: mikrobiologischer sequentiell anaerob-aerober Chlorethen-Abbau mit Kohlenstoff-Isotopenfraktionierung. Dissertation, Technische Universität Dresden / DVGW-Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN ), Band 43. Zhao.-P., Schmidt K. R., Lohner S., Tiehm A. (20) Robustness of an aerobic metabolically vinyl chloride degrading bacterial enrichment culture. Water Sci. Technol. 64(9): Schmidt K. R. und Tiehm A. (20) Natural attenuation am Chlorethen-Standort Frankenthal: Bedeutung des sequentiell anaerob-aeroben Bio-Abbaus. altlasten spektrum 05: Tiehm A., Schmidt K. R. (20) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol. 22(3): Dr. Kathrin Schmidt 3