Prozessverständnis des LCKW-Abbaus Aktueller Kenntnisstand und neue Forschungsaktivitäten Kathrin Schmidt, Andreas Tiehm
VORTRAGSINHALTE
warum Mikrobiologie bei NA? aktueller Kenntnisstand zum mikrobiellen Abbau von Chlorethenen Vor- und Nachteile der verschiedenen Abbauprozesse Nachweis mikrobieller Abbauprozesse im Feld Forschungsaktivitäten am TZW
April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ?
Wasserwerk Rezeptor
Industrie‐ standort Schadensherde
ungesättigte Bodenzone
Ablagerung
Grundwasser‐ Fließrichtung
Schadstofffahne
Aquifer gesättigte Bodenzone
DNAPL (LCKW)
Aquitard
NA-Prozesse bewirken die Elimination der Schadstoffe April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ? „natürliche Schadstoffminderungsprozesse (Natural Attenuation = NA) sind physikalische, chemische und biologische Prozesse, die ohne menschliches Eingreifen zu einer Reduzierung von Masse Fracht Toxizität Mobilität Volumen Konzentration
sind bei vielen Grundwasserschäden die maßgebenden frachtreduzierenden Prozesse LABO-Positionspapier
eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen“ April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN Anaerob-reduktiver Abbau
Aerob-oxidativer Abbau
je mehr Chloratome desto leichter abbaubar
je weniger Chloratome desto leichter abbaubar
Cl
Cl C
Auxiliarsubstrate
Cl
Cl
Cl
H C
H2
PCE
=C =C
Cl
Cl
H
H C
=C
Cl
Cl
H
H C
=C
H
Cl
H
H C
H
=C
TCE
ClcDCE
H 2O VC Ethen
H
Auxiliarsubstrate Chlorethene (Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren) werden oxidiert werden reduziert April 2011
CO2
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O2 Chlorethene (Elektronen-Donoren) werden oxidiert
Sauerstoff (Elektronen-Akzeptor) wird reduziert
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN VOLLSTÄNDIGE ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG
Wasserwerk Rezeptor
Industrie‐ standort Schadensherde
Grundwasser‐ Fließrichtung
ungesättigte Bodenzone
Ablagerung
PCE
TCE cDCE
VC Ethen
Aquifer gesättigte Bodenzone
DNAPL (LCKW)
Aquitard
Anaerobe, stark reduzierende Milieubedingungen erforderlich Anwesenheit von Dehalococcoides sp. erforderlich April 2011
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MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN REDUKTIV DECHLORIERENDE BAKTERIEN Anaerob-reduktiver Abbau
Reduktive Dechlorierer
je mehr Chloratome desto leichter abbaubar Cl
Cl C
Auxiliarsubstrate
Cl
Cl
Desulfomonile sp.
Cl
H
Desulfuromonas sp.
C
H2
April 2011
TCE
=C
Cl
Cl
H
H C
cDCE
=C
Cl
Cl
H
H C
Begleitreaktionen wie Sulfatreduktion und Methanogenese
PCE
=C
VC
=C
H
Cl
H
H C
H
=C
Ethen H
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Dehalobacter sp. Desulfitobacterium sp. Dehalococcoides sp.
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG MIT BEGLEITREAKTIONEN: BILDUNG VON CH4 UND H2S Wasserwerk Rezeptor
Industrie‐ standort Schadensherde
Grundwasser‐ Fließrichtung
ungesättigte Bodenzone
Ablagerung
n a h et M
PCE
S H2
TCE cDCE
DNAPL (LCKW)
n t ha e M
S H2
VC Ethen Me tha n
Aquifer gesättigte Bodenzone Aquitard
unkontaminiertes oxidiertes Grundwasser April 2011
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unkontaminiertes stark reduziertes Grundwasser
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG MIT AKKUMULATION VON cDCE UND VC
Wasserwerk Rezeptor
Industrie‐ standort Schadensherde
Grundwasser‐ Fließrichtung
ungesättigte Bodenzone
Ablagerung
PCE
TCE
cDCE VC
Aquifer gesättigte Bodenzone
DNAPL (LCKW)
Aquitard
wird oft beobachtet bei kontaminiertes - nicht ausreichend anaerobem Milieu ggf. reduziertes Grundwasser - Abwesenheit von Dehalococcoides sp. April 2011
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MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN AEROBER ABBAU VON TCE, cDCE UND VC
Wasserwerk Rezeptor
Industrie‐ standort Schadensherde
Grundwasser‐ Fließrichtung
ungesättigte Bodenzone
Ablagerung
PCE
TCE cDCE
DNAPL (LCKW)
VC
CO2 ClH2O
Aquifer gesättigte Bodenzone Aquitard
Anaerobe Milieubedingungen April 2011
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unkontaminiertes Aerobe Milieubedingungen oxidiertes Grundwasser
VORTEILE DES AEROBEN ABBAUS GEGENÜBER DEM ANAEROBEN ABBAU
keine Bildung stabiler toxischer Metabolite keine reduzierenden Bedingungen erforderlich kein Bedarf an Auxiliarsubstraten zur Zehrung von Sauerstoff und weiterer alternativer ElektronenAkzeptoren keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und Methanogenese keine Verschlechterung der Grundwasserqualität April 2011
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AEROBER ABBAU VON CHLORETHENEN cometabolischer Abbau mit Auxiliarsubstraten
produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate
O2
O2
sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben
CO2 z.B. mit Ammonium, Methan
Clz.B. mit Ammonium, Methan
H2O z.B. mit Ammonium, Methan
Auxiliarsubstrate
Cl
Cl C
=C
Cl
Cl
Cl
H C
=C
Cl
Cl
H
H C
=C
Cl
H
H
=C
H
Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiert Chlorethene werden zufällig mit umgesetzt April 2011
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CO2
TCE
cDCE
Cl C
PCE
Cl
vereinzelt in der Literatur beschrieben oft bleibt die Rolle von z.B. Ammonium als mögliches Auxiliarsubstrat unklar
ClH2O
VC
wiederholt in der Literatur beschrieben
Chlorethene werden als Energiequelle oxidiert und dienen als Wachstumssubstrat
COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU UMSETZUNG DER AUXILIARSUBSTRATE (für die (für dieUmsetzung Umsetzung von von 1 mg 1 mg CKW CKW verwendete verwendete Menge, Menge, Literaturdaten) Literatur) Auxiliarsubstrate (6,9 mg) Ammonium NH4+
+ 2 O2 NO3- + H2O + 2 H+
(5,6 mg) Methan
+ 2 O2 CO2
CH4
+ 2 H2O
(100 mg) Essigsäure CH3COOH
+ 2 O2 2 CO2 + 2 H2O
produktiver Abbau: (0 mg) cDCE
+ 2 O2 2 CO2 + 2 HCl
C2H2Cl2
beim produktiven Abbau kein Bedarf an Auxiliarsubstraten April 2011
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COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU SAUERSTOFFZEHRUNG DURCH AUXILIARSUBSTRATE
10 mg Sauerstoff ermöglichen den Abbau von 2,8 mg Ammonium als Auxiliarsubstrat
0,40 mg CKW cometabolisch
2,5 mg Methan als Auxiliarsubstrat
0,44 mg CKW cometabolisch
13 mg Na-Essigsäure als Auxiliarsubstrat
0,13 mg CKW cometabolisch
27 mg CKW produktiv 0
20
40
60
80
100
prozentualer Sauerstoffverbrauch [%]
beim produktiven Abbau keine zusätzliche SauerstoffZehrung durch Auxiliarsubstrate April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
VORTEILE DES PRODUKTIVEN ABBAUS GEGENÜBER DEM COMETABOLISCHEN ABBAU
kein Bedarf an Auxiliarsubstraten keine zusätzlichen Kosten keine Probleme mit Einmischung etc. geringerer Bedarf an Sauerstoff, da keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate
April 2011
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NACHWEIS MIKROBIELLER NA-PROZESSE IM FELD
Schadstoffprofil Hydrochemie, Redoxzonierung Mikrobiologische Bestandsaufnahme (MPN) Molekularbiologischer Nachweis (PCR) Mikrobiologische Abbauversuche Isotopenfraktionierung April 2011
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SCHADSTOFFPROFIL
Cl
Schadstoffprofil am Standort kann Hinweise auf Abbauvorgänge geben
Cl C
Cl
Cl
Cl
H C
Cl
H
H
(mikrobiologisch oder abiotisch)
April 2011
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cDCE
=C
Cl
Cl
H
H C
zeigen Schadstoffumsetzung
TCE
=C
Cl
C
Spezifische Metabolite im Abstrom
PCE
=C
VC
=C
H
Cl
H
H C
H
=C
Ethen H
HYDROCHEMIE
Hydrochemische Standort-Bedingungen grenzen mögliche Abbauprozesse ein Nachweis von Elektronen-Akzeptoren (Sauerstoff, Nitrat, Eisen, Mangan, Sulfat) und Respirationsprodukten ( Redoxzonierung)
O2
H2O
NO3-
N2
Informationen über die Verfügbarkeit von Auxiliarsubstraten, Nährstoffen
SO42-
S2-
CO2
CH4
April 2011
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Fe(III) Fe(II) Mn(IV) Mn(II)
MIKROBIOLOGISCHE BESTANDSAUFNAHME MIT DEM MPN-TEST (MOST PROBABLE NUMBER)
Quantifizierung von Mikroorganismengruppen in Grundwasser- oder Bodenproben Vergleichende Quantifizierung aktiver Schadstoff-abbauender Gruppen
A B
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
C D E F G H
Nachweis redox-aktiver Gruppen ergänzt hydrochemische Daten zur Redoxzonierung
April 2011
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MOLEKULARBIOLOGISCHER NACHWEIS MIT PCR (POLYMERASE CHAIN REACTION)
Selektiver Nachweis Schadstoff-abbauender Spezies in Grundwasser- oder Bodenproben Spezifische mikrobiologische Populationsanalyse Schneller Nachweis der DNA ausgewählter Organismen (müssen molekularbiologisch charakterisiert sein) April 2011
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MIKROBIOLOGISCHE ABBAUVERSUCHE
Nachweis am Standort auftretender mikrobiologischer Abbauprozesse Standortmaterial (Grundwasser, Sediment) Mikrokosmen Inkubation unter Standort-nahen Bedingungen Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen
April 2011
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13/12C-ISOTOPENFRAKTIONIERUNG
Nachweis mikrobiologischer NA-Prozesse am Standort mittels chemischer Analytik Quellendifferenzierung und Verursacherzuordnung Quantifizierung des biologischen Abbaus 13C
12C
12C 12C
13C
12C
12C
12C 12C
13C 12C
12C
12C 12C
12C
13C
12C
13C
12C
12C 12
12C
12C
12C
13C
12C
12C
C
Bakterien setzen 12C schneller um als 13C
δ13C z.B. -25‰ April 2011
12C
12C
12C
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12C
12C 12C
12C
12C
Ausgangssubstanz mit spezifischem Isotopenverhältnis
13C
12C
12C
12C 1213 C 12C
C
12C 12C
und
13C
13C
12C
13C
12C
13C
12C
gebildete Verbindung abgereichert an 13C
verbleibende Substanz angereichert an 13C
δ13C z.B. -30‰
δ13C z.B. - 15‰
„leichter“
„schwerer“
ZUSAMMENFASSUNG FELDANWENDUNG
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
O2
H 2O
NO3
N2
A1 2 3 4 5 6 7 8 9101112 B C D E F G H
Fe(III) Fe(II) Mn(IV) Mn(II)
- eine abgestufte Vorgehensweise - angepasst an die Standort-Begebenheiten
SO4
S2-
CO2
CH4
Cl
Cl C
Cl
Cl
H C
Cl
H
=C
C
=C
cDCE
2
Primer
Cl
H
H
VC
H
Cl
H
H C
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Polymerase
H C
Cl
H
April 2011
TCE
=C
Cl
- verschiedene Methoden in Kombination (multiple lines of evidence approach)
1
PCE
=C
Cl
=C
Ethen H
3
FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW ABGESCHLOSSENE PROJEKTE BMBF (RUBIN – GaFeR): Teilprojekt Analyse und mögliche Steuerung mikrobiologischer Prozesse zur Ertüchtigung von Fe(0)-Reaktionswänden BMBF (KORA): Feldstudie zum natürlichen Abbau und Rückhalt von Chlorkohlenwasserstoffen am Beispiel des Industriestandortes Frankenthal – Mechanismen und Kinetik des LCKW-Abbaus BMBF (KORA): Untersuchungen zum Natural Attenuation der LCKW-Verunreinigung Karlsruhe-Ost/Killisfeld – Mikrobiologischer LCKW-Abbau unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von Huminstoffen BMWi (AiF – ZUTECH): Entwicklung eines Bio-ElektroVerfahrens zur in-situ Sanierung von LCKW-Schäden April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW ABGESCHLOSSENE PROJEKTE 10,0
Acetogenese
pH-Wert
9,5
H2-konsumierende Prozesse vermindern Gas-Clogging
9,0
Methanogenese
8,5
Sulfat-Reduktion
8,0 7,5 7,0
Nitrat-Reduktion 0
200
400
600
800
Versuchsdauer (Tage) April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
1000
1200
FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW ABGESCHLOSSENE PROJEKTE Anaerob-reduktiver Abbau
Aerob-oxidativer Abbau
je mehr Chloratome desto leichter abbaubar
je weniger Chloratome desto leichter abbaubar
Cl
Cl C
Auxiliarsubstrate
Cl
Cl
Cl
H C
H2
=C
Cl
Cl
H
H C
=C
Cl
Cl
H
H C
H H H
=C
x C
April 2011
PCE
=C
Cl
TCE
CO2
cDCE
produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate
Cl-
VC O2
H
=C
Aerober Abbau trägt maßgeblich zur SchadstoffElimination bei
Ethen H
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H 2O
FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW ABGESCHLOSSENE PROJEKTE cis-1,2-Dichlorethen Vinylchlorid
120%
c/c0 [%]
100% 80%
+ VC + cDCE
60%
+ VC 40% 20% 0% 0
5
10
15
20
Zeit [Wochen]
produktiver Abbau von VC cometabolischer Abbau von cDCE April 2011
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW ABGESCHLOSSENE PROJEKTE Cathode
Anode
Power supply
-
+
Groundwater table
H2 PCE, TCE
H2
O2 cDCE, VC, Ethen
H2 Contaminated groundwater April 2011
O2
Dechlorination with O2
O2
Microbial degradation Microbial degradation (reductive) (oxidative)
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW LAUFENDE PROJEKTE BMWi (AiF – IGF): Nutzung neuer produktiver Abbauprozesse für die aerobe mikrobiologische Sanierung von CKWStandorten BMWi (AiF – ZIM): Entwicklung und Anwendung von PCRMethoden zur schnellen Ermittlung von IsotopenAnreicherungsfaktoren BMBF (NanoNature – NAPASAN (Nano-Partikel zur Sanierung von Grundwasserschadensfällen)): Teilprojekt Wechselwirkungen zwischen mikrobieller und abiotischer CKWDechlorierung – Synergien und toxische Effekte BMBF (deutsch-israelische Kooperation): Stimulierung des biologischen Abbaus komplexer halogenorganischer Schadstoffe in industriellem Abwasser April 2011
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FAZIT
mikrobiologische Abbauprozesse werden in der Altlastenbearbeitung im Rahmen von MNA (Monitored Natural Attenuation) oder ENA (Enhanced Natural Attenuation) genutzt für die Anwendung von NA (MNA / ENA) ist ein umfassendes Prozessverständnis der biologischen Abbauvorgänge an einem Standort erforderlich aerobe Abbauprozesse bieten viel versprechende Möglichkeiten
April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
DANKE unseren Zuwendungsgebern (BMBF, BMWi) für die finanzielle Förderung unseren Projektpartnern für die Zusammenarbeit unseren Kollegen am TZW für die Mitarbeit und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!
April 2011
MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
AUSGEWÄHLTE VERÖFFENTLICHUNGEN Tiehm A., Schmidt K. R. (2011) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes – aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol.: in press. Schmidt K. R., Augenstein T., Heidinger M., Ertl S., Tiehm A. (2010) Stable carbon isotope fractionation during aerobic, metabolic biodegradation of cis-1,2-dichloroethene. Chemosphere 78(5): 527-532. Zhao H.-P., Schmidt K. R., Tiehm A. (2010) Inhibition of aerobic metabolic cis-1,2-di-chloroethene biodegradation by other chloroethenes. Water Res. 44: 2276-2282. Schmidt K. R. (2009) Natural attenuation am Standort Frankenthal: mikrobiologischer sequentiell anaerob-aerober Chlorethen-Abbau mit Kohlenstoff-Isotopenfraktionierung. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 43. Lohner S. T., Tiehm A. (2009) Application of electrolysis to stimulate microbial reductive PCE dechlorination and oxidative VC biodegradation. Environ. Sci. Technol. 43(18): 7098–7104. Lohner S. T. (2008) Stimulation des mikrobiologischen Chlorethen-Abbaus durch Einsatz von Elektrolyse. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 37. 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: 2431-2438. Schmidt K. R., Tiehm A. (2008) Natural attenuation of chloroethenes: Identification of sequential reductive/oxidative biodegradation by microcosm studies. Water Sci. Technol. 58(5): 1137-1145. Tiehm A., Schmidt K. R. (2007) Methods to evaluate biodegradation at contaminated sites. In: Knödel K., Lange G., Voigt H.J. (Eds.): Environmental geology – Handbook of field methods and case studies. Springer. Berlin, Heidelberg: 876-911. 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 Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech. 3-4: 14-17. Schmidt K. R., Stoll C., Tiehm A. (2006) Evaluation of 16S-PCR detection of Dehalococcoides at two chloroethenecontaminated sites. Water Sci. Technol.: Water Supply 6(3): 129-136.
Für weitere Fragen April 2011
[email protected]; 0721 / 9678-223 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
[email protected]; 0721 / 9678-137
