Grundlagen biologischer Schadstoffabbauprozesse

Ähnliche Dokumente
In-situ Sanierung einer LCKW-Kontamination auf einem ehemaligen Industriegelände mittels Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (GZB )

Prozessverständnis des LCKW-Abbaus

Anhang 1: Natürliche Schadstoffminderungsprozesse

Isotopenmethoden. für organische Schadstoffe. über 10 Jahre Erfahrung

Grundwasser: chemische Vorgänge bei der Infiltration. Redoxprozesse im Grundwasser Transport reaktiver Spezies

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

Anregung natürlicher Abbauprozesse bei LCKW-Schäden

Biologische Sanierung von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) Grundlagen und Methoden. Thomas G. Reichenauer

Klausurfragen zum Eingangstestat für das umwelttechnische Praktikum (Abfallwirtschaft/Altlasten) im WS 2005/2006

Komponentenspezifische Isotopenanalyse zur Erkundung des biologischen Schadstoffabbaus und von Kontaminationsquellen

Natürliche Abbau- und Rückhalteprozesse im Grundwasser Beispiele von hessischen Altlasten

Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe G8

Newsletter des ÖVA Juli von 10

AWA Amt für Wasser und Abfall. OED Office des eaux et des déchets

In-Situ-Sanierung mit Hilfe der Chemie - (wie) geht das?

Leiter: QS-Verantwortliche: Telefon: Telefax: Internet: Erstakkreditierung: Letzte Akkreditierung: Aktuellste Version:

V9: Reaktive Wände (1)

Vorlesung: Sanierung kontaminierter Böden Teil 8: Limitierungen der Bodensanierung

In-Situ-Sanierung mit Hilfe der Chemie - (wie) geht das?

1 Grundwissenskatalog Chemie G8 SG, Inhalt der 10. Jahrgangsstufe

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

Technologiequickscan In-situ-Sanierungstechnologien

3.1.2 Oberflächenwasser

Was sagt mein Wasserbefund aus?

Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Lernwerkstatt: Organische Chemie II. Das komplette Material finden Sie hier:

durch Herrn Rosch, Chemisches Untersuchungsamt Emden GmbH am von 11:30 bis 13:30 Uhr, Gewerbestraße 2, Südbrookmerland

Hydrothermale Carbonisierung Vorstellung des Verfahren und Anwendungsbeispiele. Judy Libra, Jürgen Kern, Jan Mumme

Abbau organischer Verbindungen. Lara Hamzehpour Windthorststraße 1a Mainz

In-situ Verfahren (Sanierung ohne Bauverzug) Grundwasser Behandlung (z.b. zum Schutz des Trinkwassers) Bodenluft Sanierung (zur Gefahrenbeseitigung)

Fach Ökologische Mikrobiologie

Nachweis von Abbauprozessen bei MNA: Möglichkeiten und Grenzen der Isotopenfraktionierung

Deponien und Isotope WASSER GEOTHERMIE MARKIERVERSUCHE SCHADSTOFFE FILTERTECHNIK LEBENSMITTEL NACHWACHSENDE ROHSTOFFE ISOTOPE

Grundwissen Chemie Klasse

Mikrobielle Ökologie

DIE ROLLE VON MIKROORGANISMEN IM STOFFKREISLAUF UND IN DER NATUR

Wasser und Abwasser - Methoden und Preise

Für effiziente Methanproduktion von Bakterien lernen

Prüfbericht. über. die Untersuchung von Materialproben auf Schwermetalle: Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, Hg, LHKW, BTEX, MKW, PAK und EOX

HYDROTHERMALE KARBONISIERUNG

VL 03 Biogeochemische Kreisläufe von C, N, S, Abbau organischer Substanz

LEISTUNGSVERZEICHNIS 2017

Isotopenmethoden für organische Schadstoffe

Grundwissen Chemie. 8. Jahrgangsstufe, Gruppe I

D. Poetke 1, J. Großmann 1 und C. Nitsche 2. GICON Großmann Ingenieur Consult GmbH. BGD Boden- und Grundwasserlabor GmbH

VL Limnochemie

Beobachtung [Jeweils] exotherme Reaktion unter Gasentwicklung (H 2 )

Kurztitel. Präsentation Kathrin Schlüter. Vorstellung Grundlagen Ziele Versuchsaufbau Ergebnisse Zukünftige Arbeiten.

Irena Isabell Knappik (Autor) Charakterisierung der biologischen und chemischen Reaktionsprozesse in Siedlungsabfällen

Vorwort zur ersten Auflage. 1 Globale Umwelt. Klima und Mikroorganismen 1

Voruntersuchungen. zur in situ Sanierung der Altlast W26. Kontakt: Björn Tobias Bogolte Ölalarm:

Phytosanierung von CKW das Projekt PHYTOTOP (Mikrokosmosversuche, Standorte, Modellrechnung)

Anwendung innovativer praxisorientierter Technologien am Beispiel des OSBO -Verfahrens

Chemie aquatischer Systeme. Herbstsemester 2013

Biologisch abbaubare Werkstoffe in Theorie und Praxis

Einführung in die Umweltwissenschaften

Leiter: MS-Verantwortliche: Telefon: Telefax: Internet: Erstakkreditierung: Letzte Akkreditierung: Aktuellste Version:

55 Thermische Behandlung (on-site / off-site)

Anlage zur Akkreditierungsurkunde D-PL nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Anaerobe Biologische In Situ Sanierung (ABIS) von LCKW-belastetem Grundwasser

Durch biothermodynamische Modellversuche mikrobielle Lebensweisen verstehen und interpretieren

Verwendung von Pflanzen in der Sanierung kontaminierter Standorte. Thomas G. Reichenauer

Sicherheitsbewertung Umwelt

Voruntersuchungen. zur in situ Sanierung der Altlast W26. Kontakt: Björn Tobias Bogolte Ölalarm:

Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität. Bindigkeit Valenzstrichformel Molekülgeometrie

n = V Lsg m n l mol Grundwissen 9. Klasse Chemie (NTG) Analytische Chemie Stoffmenge n Molare Masse M Molares Volumen V M Stoffmengenkonzentration c

Grundwasserverunreinigungen durch den Flughafenbetrieb

Hurrican Elena über Florida

Phytosanierung von CKW das Projekt PHYTOTOP (Methoden, Gefäßversuch, Kompostierung)

Chemische Verbrennung

Die Anwendung forensischer Methoden am Beispiel eines LCKWund eines MKW-/BTEX- Grundwasserschadens

Ein Berechnungsinstrument für Sickerwasserprognosen

V10: Reaktive Wände (2)

Gärtests für nachwachsende Rohstoffe Probleme der VDI-Richtlinie und mögliche Lösungen

Neues Verfahren zur Spurenstoffentfernung zur Verbesserung der Wasserqualität nicht nur in Kläranlagen

Trinkwasser aus Uferfiltrat - noch sauber genug? Uferfiltration als Teil eines Multibarrierensystems. Urs von Gunten

Anlage zur Akkreditierungsurkunde D-PL nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Mikrobiologie des Abwassers

Vorlesung Wasserinhaltsstoffe

Ein innovatives, passives Sanierungsverfahren - Die Biobarriere -

Vorlesung Ökologie II Biozönosen Jean Charles MUNCH Lehrstuhl für Bodenökologie Helmholtzzentrum München, Neuherberg

SIWA-SP: Benötigte Eingabeparameter (Version 2.008)

DECHEMA Symposium 2009

Schullehrplan für den Beratungsbereich Chemie/Ökologie und Sachpflege

Was versteht man unter Vergärung?

Herausgegeben von Johannes C. G. Ottow und Werner Bidlingmaier

Wärmeträgerfluide in der Geothermie - Exemplarische Gefährdungsabschätzung

Vorlesungsthemen Mikrobiologie

Wasseranalyse - Prüfbericht

KRITERIEN UND GRENZWERTE FÜR DIE ZUORDNUNG VON ABFÄLLEN ZU DEPONIETYPEN

Einführung in die Biochemie Glykolyse

Basiswissen Chemie. Vorkurs des MINTroduce-Projekts

Anlage zur Akkreditierungsurkunde D-PL nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Wasseruntersuchungsbefund-Nr / 0007 / 003. Untersuchung nach der Trinkwasser-Verordnung 2012

Natürlicher Schutz passives Schutzsystem, das vorteilhafte natürliche Bedingungen ausnutzt o geologische o hydrologische

Verteilungskoeffizienten

Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften

VL Limnochemie

Transkript:

Grundlagen biologischer Schadstoffabbauprozesse im Boden und Grundwasser Kerstin E. Scherr AG Contaminant Biogeochemistry Institute for Environmental Biotechnology, Department IFA-Tulln University of Natural Resources and Life Sciences Vienna (BOKU), Austria Tulln, 23. April 2015 June BOKU 25, 2013 Vienna I Department IFA-Tulln 1 I Institute of Environmental Biotechnology I KE Scherr

Überblick Mikrobielle Schadstofftransformation in der Umwelt Begriffe Makroskopische und mikrokopische Transformationsprozesse Abbauprozesse beispielhaft Chlorierte Kohlenwasserstoffe, LCKW Mineralökohlenwasserstoffe, MKW Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, PAK Überlegungen zu Makronährstoffbedarf, Stöchiometrien Elektronendonatoren (Reduktionsmittel) und Elektronenakzeptoren (Oxidationsmittel) 2

Schadstofftransformation im Untergrund Mikrobiologischer Schadstoffabbau: Transformation von organischen Schadstoffen durch Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Archaea) bzw. deren Enzyme (intrazellulär oder extrazellulär) Mikrobielle Metabolisierung: Umwandlung zu stabilen oder instabilen Zwischenprodukten (organisch oder anorganisch), metabolisch oder co-metabolisch, Gruppen oder Einzelpopulationen Mineralisierung: Spezialfall der Metabolisierung, Transformation zu anorganischen Produkten (CO 2, H 2 O); da Biomasseaufbau: keine vollständige Mineralisierung, aber vollständige Metabolisierung Humifizierung: Einbau in organische Bodensubstanz, Verlust der chemischen Identität Abiotische Reaktionen: Zerfall (LCKW), Reaktion mit Mineralen, u.a. 3

Schadstofftransformation im Untergrund: Makroskopisch Scherr, 2013, mod. 4

Schadstofftransformation im Untergrund: Mikroskopisch Schadstoffcharakteristika NAPL-Toxikologie und Metaboliten Aquatische RedOx-Chemie Huminstoffe, Bodenorganik Sequestrierung und Schadstoffverfügbarkeit Extrazellulärer Elektronentransfer Charakteristika Bodenorganik und Anorganik Populationszusammensetzung und Dynamik Scherr, 2013, mod. 5

Häufigste Schadstoffgruppen Relative Häufigkeit von Schadstoffen an Altlasten in Österreich (UBA, 2014) 50% 100% Chlorierte KW Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) Polyzyklische Aromatische KW (PAK) Monoaromatische KW (BTEX) Mikroorganismen können hydrophobe Schadstoffe zu ungiftigen Stoffen transformieren. Phenole Cyanide Schwermetalle Hydrophobe Organische Schadstoffe (HOC) log K OW = P = log (c 1-octanol /c water ) 2 bis 7 wässrige Löslichkeit = 10-6 bis 10-3 g/l Data: UBA, 2015 Daten: UBA 6

Bedingungen für den Schadstoffabbau Mikroorganismen mit Enzymtoolbox für den Abbau (Mono- / Dioxygenase, Haloreductase, etc.) anwesend Produktiver / metabolischer Abbau (Energiegewinn) Cometabolischer Abbau (kein Energiegewinn) Schadstoff ist biologisch verfügbar, i.e. nicht sequestriert Elektronendonatoren (Reduktionsmittel, ED) oder Akzeptoren (Oxidationsmittel, TEA) für Reduktion bzw. Oxidation Makronährstoffe (zb. C:N:P=100:10:1) & Spurenelemente Umweltbedingungen (Temp., ph, H 2 O, Inhibitoren etc.) Standortspezifische Limitationen erkennen & beseitigen Bioremediation Bioaugmentation Biostimulation 7

Abbau von Chlorkohlenwasserstoffen (LCKW) C 1 -C 2 Alkane und Alkene. Teilweise kanzerogen In anaeroben Aquiferen: Reduktive Dechlorierung (RD) Selten: vollständige Dechlorierung, dzt. nur für Dehalococcoides bekannt Häufig: partielle RD, z.b. Dehalobacter, Anaeromyxobacter; Akkumulation von mono- und dichlorierten Verbindungen Oxidativer Abbau: unter anaeroben (...) und aeroben Bedingungen Abbau zu Epoxiden, Aldehyden; Anreicherung (?) Cometabolischer Abbau mit Methan, Ethen, C org (erhöhter O 2 -Bedarf) Cosubstratfrei: Metabolisch (TCE, Dr. Schmidt) Tetrachlorethen (PCE) Ethen cis-dichlorethen 8 Sequentielle Reduktive Dechlorierung Monochloroethen, Vinylchlorid

Abbau von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) Rohöl & Verbindungen: ca. 10 3 unpolare Einzelverbindungen Biologischer Abbau: aerobe oder anaerobe Oxidation; Bacteria (e.g. Alcanivorax, Pseudomonas), Fungi, Hefen Abbaubarkeit i.a. des Moleküles (i) leichte, niedermolekulare besser abbaubar als schwere, hochmolekulare (ii) einfache (n-alkane) besser abbaubar als komplexe Moleküle (TAS, Hopane u.a.) Chromatographischer Fingerprint (DIN EN ISO 16703) Quantitativer und insbesondere qualitativer Aufschluss Quellenspezifisch Forensik Reflektiert in situ Verhältnisse, dominante RedOx-Prozesse 9

Abbau von Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) 2 annelierte Benzolringe, 10 2 Verbindungen, Teeröl, Kreosot etc. Per Konvention: davon 16 homozyklische EPA-PAK (1979): zwei (Naphthalin, NAP) bis 6 (Indeno[1,2,3- c,d]pyren, IND) Ringe Auch: substituierte, alkylierte PAK, weniger erforscht Verhalten abhängig von Substituent, Anzahl und Länge der Alkylketten Abbau via Oxidation, Ringspaltung, Carboxylierung Bis 4 Ringe: Bacteria Bis 6 Ringe: Weissfäulepilze via extrazelluläre Lingin- und Manganperoxidasen, Laccasen NAP IND log K ow = 3.4 log K ow = 7.1 10

Häufige abbaulimitierende Faktoren Makronährstoffe Abschätzung Bedarf in Annäherung an Biomassezusammensetzung, i.a. der Gesamt-Schadstoffkohlenstoff-Konzentration Aerober Abbau (Stoffwechsel: Biomasse = 50:50) C schadstoff :N:P:K = 100:10:1:1 Anaerober Abbau (Stoffwechsel: Biomasse = 90:10) C schadstoff :N:P:K = 300:5:1:1 Elektronendonatoren (Reduktive Dechlorierung von LCKW) Dechlorierung: 4 Mol H 2 pro Mol PCE; sehr gering, in Praxis schwierig Überschreiten von H 2 -Schwellenwert für RD Methanogenese Elektronenakzeptoren (Schadstoffoxidation) 11

Elektronenakzeptoren Bedarf, theoretisch Beispiel: Abbau von n-hexadecan (n-c 16 ) unter unterschiedlichen RedOx- Bedingungen Sauerstoff als TEA: C 16 H 34 + 28.5 O 2 16 HCO 3 + 9 H 2 O ca. 3 g O 2 pro g C 16 H 34 Nitrat als TEA: C 16 H 34 + 19.6 NO 3 + 3.6 H + 16 HCO 3 + 9.8 N 2 + 10.8 H 2 O G = - 983 kj pro Mol N 2 ; ca. 5 g Nitrat pro g C 16 H 34 Sulphat als TEA: C 16 H 34 + 12.25 SO 4 2 16 HCO 3 + 12.25 HS + 3.75 H + + H 2 O G = - 61 kj pro Mol HS ;ca. 5 g Sulphat pro g C 16 H 34 Methanogene Bedingungen: C 16 H 34 + 11.25 H 2 O 12.25 CH 4 + 3.75 HCO 3 + 3.75 H + G = -33 kj pro Mol CH 4 12

Populationen in anaeroben kontaminierten Aquiferen Phylogenetische Bäume der eubakteriellen Population: links flacher (Shannon Index = 7,992 @ n= 5186) und rechts phasennaher Horizont (Shannon Index = 7,422)

Elektronenakzeptoren Bedarf, praktisch Tatsächlicher Verbrauch an TEA und Auftreten von TEA(red) im Zuge des Abbaues u.a. abhängig von Abbaugrad Partielle Oxidation versus Mineralisierung Defizite von Stöchiometrien: i.a. nur Teil der Kontamination erfasst, u.u. nur Einzelsubstanzen (EPA-PAK) Biomasseaufbau nicht beachtet Recycling von TEA Konkurrenz um TEA Selektivität des Abbaues 14

Zusammenfassung Organische Schadstoffe unter in situ Bedingungen bei Einstellung optimaler Milieubedingungen abbaubar Komplexes Zusammenspiel Mikroorganismen Umweltbedingungen Schadstoffcharakteristika beeinflusst Grad und Verlauf des biologischen Abbaues Erster Abbauschritt (Aktivierung) energetisch unvorteilhaft (ausgenommen LCKW), limitierend Transformation: Schadstoffe polarer, besser wasserlöslich MKW und PAK: (an)aerobe Oxidation, besserer Abbau mit sinkender Molekülmasse und Komplexität LCKW: oxidativer und reduktiver Abbau möglich Vorsicht bei Papier-Stöchiometrien, Option: Test im Labor, in situ Mikrokosmen 15

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 16