Seminar. Umweltforschung im Brennpunkt - Behandlung von Teeröl-Standorten. 8. Mai - 9. Mai 2014 Redoutensäle, Promenade 39, 4021 Linz

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1 Seminar Umweltforschung im Brennpunkt - Behandlung von Teeröl-Standorten 8. Mai - 9. Mai 2014 Redoutensäle, Promenade 39, 4021 Linz Thema: Das Projekt "HetReMed" Prinzip, Ziele und Limitationen Referentin: Priv.-Doz. DI Dr. Kerstin E. Scherr

2 DAS FORSCHUNGSPROJEKT "HETREMED UND LIMITATIONEN, ZIELE Kerstin E. Scherr, Priv.-Doz. DI Dr. Geobiotechnology & Environmental Chemistry Institut für Umweltbiotechnologie, Department IFA-Tulln Universität für Bodenkultur Wien

3 Vorstellung HetReMed Eckdaten Forschungsprojekt Ziele des Forschungsprojektes Prozesse: I. Nutzung geogener terminaler Elektronenakzeptoren (TEA) für (bio)chemische Schadstoffoxidation in situ II. Elektronenshuttles, extrazellulärer Elektronentransport Projektthesen, Herausforderungen und Limitationen Kontext dieser Fachveranstaltung

4 Eckdaten Projektlangtitel: In situ Oxidation von Poly- und Heterozyklischen Teerölkontaminanten: Einsatz von Red-Ox-Mediatoren (HetReMed) Laufzeit: , Projektvolumen: ,- Fördergeber: BM f. Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (Administration: KPC) Land Oberösterreich Fördernehmerinnen / Ausführende: Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Umweltbiotechnologie, Scherr / Loibner GUT GRUPPE UMWELT + TECHNIK GmbH, Nahold

5 Ziele des Forschungsprojektes Förderung der anaeroben Oxidation von gelösten (bio)chemische Oxidation in situ PAK: 16-EPA, Heterozyklen, alkylierte PAK (Auswahl) Erstmals Verschränkung zweier Mechanismen: Verwendung von schlecht wasserlöslichen, geogenen Elektronenakzeptoren (TEA, insb. Fe- und Mn-Verbindungen) für Schadstoffoxidation Förderung der Elektronenübertragung auf TEA mittels Elektronenshuttles (transiente Akzeptoren/donatoren) Modus: 2-phasige Einschätzung der Machbarkeit: Labor- (Grundlagen) und Felduntersuchungen (Anwendung)

6 Biochemische Schadstofftransformation Scherr, 2013

7 Natürliche Quellen von TEA für Schadstoffoxidation im Grundwasser Molekularer Sauerstoff: geringe Wasserlöslichkeit, langsame Nachlieferung Nitrat, Sulphat: gut wasserlöslich, +/- Nachlieferung Eisen- und Mangan- Oxi(hydr)oxide: häufige biologisch RedOx-aktive Mineralien in der Erdkruste (e.g. Canfield, 1997) Praktisch (wasser-) unlöslich bei ph 7 schlechte Nutzbarkeit durch Mikroorganismen (MO), wenige Ausnahmen, e.g. Geobacter, Shewanella Verbindungen unterschiedlich gut verfügbar, unterschiedliche Mechanismen de.wikipedia.org\ Goethit, -FeO(OH) de.wikipedia.org\ Lepidokrokit, -FeO(OH)

8 Design by Nature: Strategien für Elektronübertragung auf unlösliche Oxide a. Elektronentransfer via direktem Kontakt, erleichtert über elektrisch leitende Proteinpili, sog. nano-wires (cv. Geobacter) b. Indirekter Transfer mittels mikrobiologisch produzierter Chelatoren für z.b. Fe(III) Verfügbarkeitserhöhung c. Indirekter Transfer über natürlich vorkommende Chelatoren, z.b. Huminstoffe (Lovley et al., 2010) d. Indirekter Transfer über RedOx-aktive Huminstoffe oder andere (unbekannte) Verbindungen, die als Shuttle wirken e Extrazelluläre Elektronenshuttles (EES) wastenot_resources/geobacter1.jpg

9 Extrazelluläre Elektronenshuttles Elektronenshuttles (RedOx-Mediatoren) reversibel reduzier- und oxidierbare organische Verbindungen (?) Aufnahme- und Abgabezyklen Intrazellulär: Enzyme (Atmungskette, Energiestoffwechsel) Extrazellulär: natürlich (zb Huminstoffe) oder künstlich Hilfsmittel zur Bewältigung räumlicher oder energetischer zwischen Elektronendonor und Akzeptor Bisherige Anwendungen (u.a.) Mikrobielle Brennstoffzellen Reduktion von Explosivstoffen (RDX) Anaerobe Oxidation von cis-dce (InnoSan, Scherr et al., 2011)

10 Schadstoffoxidation nanowires und EES Scherr, 2012.

11 Projektthese Natürliche, geogene TEA schlecht wasserlöslich, jedoch in signifikanten Mengen im Untergrund vorhanden nur durch wenige Organismen biochemisch nutzbar Selektive Steigerung der Verfügbarkeit von schlecht löslichen geogenen Oxiden als TEA für die (bio)chemische Schadstoffoxidation mittels RedOx-Mediatoren bzw. Shuttles Übertragung von schadstoffbürtigen Elektronen auf geogene Oxide: chemisch oder biochemisch Steigerung der anaeroben Schadstoffoxidation mit geringem substöchiometrisch) möglich

12 Mögliche Rollen von Elektronenshuttles Chemische Schadstoffoxidation Biochemische Schadstoffoxidation (donorlimitiert) Biochemische Schadstoffoxidation (akzeptorlimitiert) Scherr, Mai 2014

13 Herausforderungen und Limitationen Verfahrensgrundlagen: Untersuchung in komplexer = realistischer Umgebung Schadstoffmatrix statt Einzelsubstanz Mikroorganismengemeinschaften statt Reinkulturen Historisch kontaminierter Aquifer statt Nährmedien Auswahl geeignete(s) Shuttle(s) Wirksamkeit, Toxizität, Kosten Prognose der Feldperformance Umsetzung an Altlast in Pilotmaßstab Standortmodell, Infrastruktur, Analysenmethoden,..

14 Danksagung KPC: Dr. Regine Patek Land Oberösterreich: Dr. Wolfgang Lantschbauer Lebensministerium: DI Harald Kasamas UBA: DI Helmut Längert- Mühlegger SV des Landes: Dr. Bertha, Ing. Trautenberger, Ing. Hofmann BH LL: Dr. Wolfsgruber

15 Danksagung: wiss. Input und Mitarbeit Diana Backes, Michaela Bauer, Kurt Brunner (TU Wien), Eva Edelmann, Pat Evans (CDM, US), Gertrud Kadlec, Imre Kaiser, Claudia Keplinger, Luna Lancellotti, Tserennyam Lundaa (Mongolian State Univ., MN), Elke Marian, Gerhard Mayer, Karin Müllern, Silvia Pfeifer, Marcus Pruckner, Matthias Rothberger, Alan Scarlett (Univ. Plymouth, UK), Amandine de Schaetzen (UL Brussels, BE), Daniel Scheiblhofer, Michael Schober, Marion Sumetzberger- Hasinger, Viktoriya Vasilieva, Franz Wolfsberger, Xiangsheng Zhang (Yangsheng College, CN)

16 Fachtagung Vormittag: Einführung Teerölaltlasten in Österreich (DI Längert-Mühlegger) Transformationsreaktionen für PAK (Prof. Loibner) Toxikologie und Abbau von Heterozyklen (DI Müller) Nachmittag: Fragen und Antworten aus der Forschung Ergebnisse des Forschungsprojektes HetReMed (Dr. Nahold, PD Scherr) PAK-Abbau unter nitratreduzierenden Bedingungen (DI Schritter) Einschätzung der Abbauaktivität in situ (Dr. Bombach) Toxikologie (Dr. Wruss) Diskussion (alle) Abendprogramm

17 Fachtagung 9. Mai 2014 Vormittag I: Sanierungspraxis Sanierung Kokerei Linz (DI Angermayer, Dr. Gnjezda) Sanierung Gaswerk Simmering (Dr. Schöberl) Vormittag II: Standortcharakterisierung und Eisenreduktion Ergänzende Untersuchungen Stainach (Dr. Unterbrunner, Dr. Nahold) Isotopenmethoden (Dr. Eisenmann) Fe(III)-Nanopartikel (Dr. Bosch) Mittag: Diskussion & Ende der Veranstaltung

18 Kontakt Priv. Doz. DI Dr. Kerstin E. Scherr Ao. Univ. Prof. Andreas P. Loibner University of Natural Resources and Life Sciences Vienna (BOKU) Geobiotechnology and Environmental Chemistry, Institut für Umweltbiotechnologie, Department IFA-Tulln, Konrad Lorenz Strasse 20, A Tulln, Austria Dr. Manfred Nahold GUT GRUPPE UMWELT + TECHNIK GmbH, Plesching 15, 4040 Linz