Aerober Abbau von Trichlorethen, cis-dichlorethen und Vinylchlorid als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle

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1 Aerober Abbau von Trichlorethen, cis-dichlorethen und Vinylchlorid als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle Andreas Tiehm, Sarah Mungenast, Pascal Weigold, Kathrin R. Schmidt ÜBERSICT Einführung Mikrobiologischer Abbau von Chlorethenen Vergleich, Vorteile, Nachteile: anaerob-reduktiver und aerob-oxidativer Abbau Vergleich, Vorteile, Nachteile: produktiver und (beide aerob) Fallbeispiele aerober Abbau von Vinylchlorid () aerober Abbau von cis-1,2-dichlorethen () aerober Abbau von Trichlorethen () Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN 2 Chlorethene (Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren) werden oxidiert werden reduziert Chlorethene (Elektronen-Donoren) werden oxidiert - 2 O (Elektronen-Akzeptor) wird reduziert MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN VOLLSTÄNDIGE ANAEROB-REDUKTIVE DECLORIERUNG Anaerobe, stark reduzierende Milieubedingungen erforderlich Anwesenheit von Dehalococcoides sp. erforderlich MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN ANAEROB-REDUKTIVE DECLORIERUNG MIT BEGLEITREAKTIONEN: BILDUNG VON C 4 UND 2 S MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN ANAEROB-REDUKTIVE DECLORIERUNG MIT AKKUMULATION VON UND 2 S 2 S stark reduziertes Grundwasser wird oft beobachtet bei - nicht ausreichend anaerobem Milieu - Abwesenheit von Dehalococcoides sp. kontaminiertes ggf. reduziertes Grundwasser

2 MIKROBIELLER ABBAU VON CLORETENEN AEROBER ABBAU VON, UND VORTEILE DES AEROBEN ABBAUS GEGENÜBER DEM ANAEROBEN ABBAU - 2 O keine Bildung stabiler toxischer Metabolite keine reduzierenden Bedingungen erforderlich kein Bedarf an n zur Zehrung von und weiterer alternativer Elektronen- Akzeptoren keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und ogenese keine Verschlechterung der Grundwasserqualität - 2 O AEROBER ABBAU VON CLORETENEN mit n sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben ohne vereinzelt in der Literatur beschrieben oft bleibt die Rolle von z.b. Ammonium als mögliches Auxiliarsubstrat unklar wiederholt in der Literatur beschrieben - 2 O COMETABOLISCER AEROBER ABBAU für die Umsetzung von 1 mg CKW verwendete Menge, Literaturdaten 6,9 mg 5,6 mg UMSETZUNG DER AUXILIARSUBSTRATE 1 mg Ammonium N NO O C O Essigsäure C 3 COO O : mg CKW C 2 x x + X 2 + X werden als Energiequelle oxidiert Chlorethene werden zufällig mit umgesetzt Chlorethene werden als Energiequelle oxidiert und dienen als Wachstumssubstrat beim produktiven Abbau kein Bedarf an n COMETABOLISCER AEROBER ABBAU SAUERSTOFFZERUNG DURC AUXILIARSUBSTRATE 1 mg ermöglichen den Abbau von VORTEILE DES PRODUKTIVEN ABBAUS GEGENÜBER DEM COMETABOLISCEN ABBAU 2,8 mg Ammonium als Auxiliarsubstrat 2,5 mg als Auxiliarsubstrat 13 mg Na-Essigsäure als Auxiliarsubstrat 27 mg CKW produktiv prozentualer verbrauch [%],4 mg CKW cometabolisch,44 mg CKW cometabolisch,13 mg CKW cometabolisch kein Bedarf an n keine zusätzlichen Kosten keine Probleme mit Einmischung etc. geringerer Bedarf an, da keine zusätzliche -Zehrung durch beim produktiven Abbau keine zusätzliche - Zehrung durch

3 -ABBAU: KORA-STANDORT KARLSRUE-KILLISFELD Ausgangsschadstoffe:, und dominieren im Fahnenende Nachweis des aerob-produktiven Abbaus von sowie des aerob-cometabolischen Abbaus von in Zusammenarbeit mit G.U.C. Gmb und Steinbeis-Transferzentrum -ABBAU: KORA-STANDORT KARLSRUE-KILLISFELD anaerob-reduktiver Abbau bis,, bei Verfügbarkeit von in den Fahnenrandbereichen werden und aerob-oxidativ abgebaut 2 mit als Auxiliarsubstrat ohne - 2 O -ABBAU: KORA-STANDORT FRANKENTAL Ausgangsschadstoffe:, ist auptkontaminant Nachweis des aerob-produktiven Abbaus von in Zusammenarbeit mit DVGW-Forschungsstelle, ZAG/GZG, ydroisotop Gmb -ABBAU: KORA-STANDORT FRANKENTAL anaerob-reduktiver Abbau bis () der aerob-oxidative Abbau von trägt maßgeblich zur Schadstoff-Elimination am Standort bei 2 X ohne - 2 O [mg/l] 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, -ABBAU: IN GRUNDWASSER-MIKROKOSMEN Grundwasser mit ca. 1,4 mg/l und,15 mg/l 1,6 DOC:,6 mg/l; Ammonium,,, Ethan < BG Zeit [Tage] Abbau von ohne bekannte und werden ebenfalls abgebaut + Kultur FT + Kultur KF / + Sterilkontrolle Chloridbilanz [% Erwartungswert] -ABBAU: IN GRUNDWASSER-MIKROKOSMEN k.a. k.a. k.a. k.a. k.a. k.a. k.a. = kein Abbau/ keine Angabe wegen hohem intergrund -Abbaupotential weit verbreitet am Standort Chlorid-Bilanz zeigt vollständige Mineralisierung

4 -ABBAU: IN MINERALMEDIUM hergestellt mit Reinstwasser ohne EDTA, Vitamine etc. (potentielle C-Quellen), Ammonium (potentieller Elektronen-Donor) potentielle [µm] Zeit [Tage] Chlorid-Bilanz zeigt vollständige Mineralisierung wiederholter Chlorid [µm] Chlorid : mit Medium aufgefüllt - 2 O AEROBER ABBAU WICTIGE ERGÄNZUNG mit n sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben werden als Energiequelle oxidiert Chlorethene werden zufällig mit umgesetzt ohne hier erstmals nachgewiesen vereinzelt in der Literatur beschrieben oft bleibt die Rolle von z.b. Ammonium als mögliches Auxiliarsubstrat unklar wiederholt in der Literatur beschrieben - 2 O Chlorethene werden als Energiequelle oxidiert und dienen als Wachstumssubstrat FELDEINSATZ : RANDBEDINGUNGEN Milieubedingungen Abbau im Feld erkennbar anhand Anaerob-reduktiv anaerobe Verhältnisse und ausreichend Elektronen- Donoren als erforderlich Bildung und ggf. Akkumulation von,, Begleit- / Konkurrenz- Nitrat-, Sulfat- und Eisen- Reaktionen Reduktion, ogenese Abbauende Organismen nachweisbar mit Stimulierungsmöglichkeiten ( ENA) PCR Mikrokosmen Dosierung von Elektronen- Donoren als n Aerob-oxidativ ausreichend und bei Cometabolismus erforderlich 13 C-Isotopenfraktionierung Aerober Abbau von Begleit- DOC MPN (-Abbauer) Mikrokosmen (,, ) Dosierung von und bei Cometabolismus erforderlichen n 1) DOSIERUNG VON ANAEROBEM AUXILIARSUBSTRAT 2) DOSIERUNG VON SAUERSTOFF Auxiliarsubstrat - 2 O DOSIERUNG VON SAUERSTOFF DOSIERUNG VON ANAEROBEM AUXILIARSUBSTRAT Auxiliarsubstrat - 2 O - 2 O

5 FELDEINSATZ: SEQUENTIELLER ABBAU (NA) KEINE DOSIERUNG ERFORDERLIC FELDEINSATZ: AEROB-PRODUKTIVER ABBAU (ENA) DOSIERUNG VON SAUERSTOFF - 2 O - 2 O FELDEINSATZ: AEROB-PRODUKTIVER ABBAU (NA) ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK KEINE DOSIERUNG ERFORDERLIC der aerobe Abbau ist eine interessante Sanierungsstrategie für Chlorethen-Altlasten der aerobe Abbau von macht anaerobe Abbauschritte bei -Schäden überflüssig - 2 O für die Bestimmung des aeroben Abbaupotentials sind Abbauversuche in Mikrokosmen und Keimzahlbestimmungen (MPN) geeignet in Zukunft werden zusätzlich PCR-Methoden zur Verfügung stehen DANK unseren Zuwendungsgebern z.b. BMBF, BMWi, Land Rheinland-Pfalz für die finanzielle Förderung unseren Projektpartnern für die Zusammenarbeit unseren Kollegen am TZW für die Mitarbeit Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit Aerober eine neue Sanierungsstrategie auch für kathrin.schmidt@tzw.de andreas.tiehm@tzw.de Schmidt K. R., Tiehm A. (211) Natural attenuation am Chlorethen-Standort Frankenthal: Bedeutung des sequentiell anaerob-aeroben Bio-Abbaus. altlasten spektrum 5: Zhao.-P., Schmidt K. R., Lohner S., Tiehm A. (211) Robustness of an aerobic metabolically vinyl chloride degrading bacterial enrichment culture. Water Sci. Technol.: 64(9): Tiehm A., Schmidt K. R. (211) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol. 22(3): Schmidt K. R., Augenstein T., eidinger M., Ertl S., Tiehm A. (21) Aerobic biodegradation of cis- 1,2-dichloroethene as sole carbon source: Stable carbon isotope fractionation and growth characteristics. Chemosphere 78(5): Zhao.-P., Schmidt K. R., Tiehm A. (21) Inhibition of aerobic metabolic cis-1,2-di-chloroethene biodegradation by other chloroethenes. Water Res. 44(7): Tiehm A., Schmidt K. R., Pfeifer B., eidinger M., Ertl S. (28) Growth kinetics and carbon isotope fractionation during aerobic degradation of cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride. Water Res. 42 (1-11): Schmidt K. R., Tiehm A. (28) Natural attenuation of chloroethenes: identification of sequential reductive/oxidative biodegradation by microcosm studies. Water Sci. Technol. 58(5): Schmidt K. R., Stoll C., Tiehm A. (26) Evaluation of 16S-PCR detection of Dehalococcoides at two chloroethene-contaminated sites. Wa. Sci. Technol. 6(3): Martin., eidinger M., Ertl S., Eichinger L., Tiehm A., Schmidt K., Karch U., Leve J. (26) 13C- Isotopenuntersuchungen zur Bestimmung von Natural Attenuation Abgrenzung und Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech 3-4: