Prozessverständnis des LCKW-Abbaus. Aktueller ... - MAGPlan

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 ? 

Schadensherde 

Grundwasser‐ 

Fließrichtung 

Industrie‐ 

standort 

Ablagerung 

DNAPL (LCKW) 

April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Schadstofffahne 

NA-Prozesse bewirken die 

Elimination der Schadstoffe 

Wasserwerk 

Rezeptor 

ungesättigte 

Bodenzone 

Aquifer 

gesättigte 

Bodenzone 

Aquitard

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 LABO-Positionspapier 

eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen“ 


sind bei vielen 

Grundwasserschäden 

die maßgebenden 

frachtreduzierenden 

Prozesse

MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN 

Anaerob-reduktiver Abbau 

je mehr Chloratome desto leichter abbaubar 

Auxiliarsubstrate 

H 2 

Cl Cl 

C = C 

Cl Cl 

Cl H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

H Cl 

PCE 

TCE 

cDCE 


VC 

H H 

C = C 

H H 

Ethen 

Auxiliarsubstrate Chlorethene 

(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren) 

werden oxidiert werden reduziert 

Aerob-oxidativer Abbau 

je weniger Chloratome desto leichter abbaubar 

O 2 

CO 2 

Cl - 

H 2O 

Chlorethene Sauerstoff 

(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptor) 

werden oxidiert wird reduziert


VOLLSTÄNDIGE ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG 

Schadensherde 



Industrie‐ 

standort 

Ablagerung 

PCE 



TCE 

cDCE 

VC 

Ethen 

Wasserwerk 

Rezeptor 

ungesättigte 

Bodenzone 

Aquifer 

gesättigte 

Bodenzone 

Aquitard 

Anaerobe, stark reduzierende Milieubedingungen erforderlich 

Anwesenheit von Dehalococcoides sp. erforderlich


REDUKTIV DECHLORIERENDE BAKTERIEN 

Anaerob-reduktiver Abbau Reduktive Dechlorierer 



H 2 

Begleitreaktionen wie 

Sulfatreduktion und 

Methanogenese 

Cl Cl 

C = C 

Cl Cl 

Cl H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

H Cl 

H H 

C = C 

H H 


PCE 

TCE 

cDCE 

VC 

Ethen 

Desulfomonile sp. 

Desulfuromonas sp. 

Dehalobacter sp. 

Desulfitobacterium sp. 

Dehalococcoides sp.


ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG 

MIT BEGLEITREAKTIONEN: BILDUNG VON CH 4 UND H 2 S 

Schadensherde 



Industrie‐ 

standort 

Ablagerung 

PCE 


unkontaminiertes 

oxidiertes Grundwasser 


Methan 

TCE 

H 2 S 

cDCE 

Methan 

VC 

H 2S 

Ethen 

Methan 

Wasserwerk 

Rezeptor 

ungesättigte 

Bodenzone 

Aquifer 

gesättigte 

Bodenzone 

Aquitard 


stark reduziertes Grundwasser


ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG 

MIT AKKUMULATION VON cDCE UND VC 

Schadensherde 



Industrie‐ 

standort 

Ablagerung 



PCE TCE cDCE VC 

wird oft beobachtet bei 

- nicht ausreichend anaerobem Milieu 

- Abwesenheit von Dehalococcoides sp. 

Wasserwerk 

Rezeptor 

ungesättigte 

Bodenzone 

Aquifer 

gesättigte 

Bodenzone 

Aquitard 

kontaminiertes 

ggf. reduziertes Grundwasser


AEROBER ABBAU VON TCE, cDCE UND VC 

Schadensherde 



Industrie‐ 

standort 

Ablagerung 

PCE 


Anaerobe Milieubedingungen 


TCE 

cDCE 

Aerobe Milieubedingungen 

VC 

Wasserwerk 

Rezeptor 

CO2 Cl- H2O ungesättigte 

Bodenzone 

Aquifer 

gesättigte 

Bodenzone 

Aquitard 


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 Elektronen- 

Akzeptoren 

� keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und 

Methanogenese 

� keine Verschlechterung der Grundwasserqualität 


CO 2 

Cl - 

H 2 O 

AEROBER ABBAU VON CHLORETHENEN 

cometabolischer Abbau 

mit Auxiliarsubstraten 

O 2 

Cl 

sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben 

Cl 

C = C 

Cl Cl 

z.B. mit Ammonium, Methan 





Cl H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

Cl Cl 

Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiert 

Chlorethene werden zufällig mit umgesetzt 

PCE 

TCE 

cDCE 

H H 

C = C 

H Cl VC 

produktiver Abbau 

ohne Auxiliarsubstrate 

O 2 

vereinzelt in der Literatur beschrieben 

oft bleibt die Rolle von z.B. Ammonium 

als mögliches Auxiliarsubstrat unklar 

wiederholt in der Literatur beschrieben 

CO 2 

Cl - 

H 2 O 

Chlorethene werden als Energiequelle oxidiert 

und dienen als Wachstumssubstrat

COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU 

UMSETZUNG DER AUXILIARSUBSTRATE 

(für die Umsetzung von von 1 mg 1 mg CKW CKW verwendete Menge, Menge, Literaturdaten) Literatur) 


(6,9 mg) Ammonium NH + 

4 + 2 O2 � NO - 

3 + H2O + 2 H + 

(6,9 mg) 

(5,6 mg) Methan CH4 + 2 O2 � CO2 + 2 H2O (100 mg) Essigsäure CH3COOH + 2 O2 � 2 CO2 + 2 H2O produktiver Abbau: 

(0 mg) cDCE C2H2Cl2 + 2 O2 � 2 CO2 + 2 HCl 

� beim produktiven Abbau kein Bedarf an Auxiliarsubstraten 


COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU 

SAUERSTOFFZEHRUNG DURCH AUXILIARSUBSTRATE 

10 mg Sauerstoff ermöglichen den Abbau von 

2,8 mg Ammonium als Auxiliarsubstrat 

2,5 mg Methan als Auxiliarsubstrat 

13 mg Na-Essigsäure als Auxiliarsubstrat 

27 mg CKW produktiv 

0 20 40 60 80 100 

prozentualer Sauerstoffverbrauch [%] 

� beim produktiven Abbau keine zusätzliche Sauerstoff- 

Zehrung durch Auxiliarsubstrate 


0,40 mg CKW cometabolisch 

0,44 mg CKW cometabolisch 

0,13 mg CKW cometabolisch

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 



NACHWEIS MIKROBIELLER NA-PROZESSE IM FELD 

� Schadstoffprofil 

� Hydrochemie, Redoxzonierung 

� Mikrobiologische Bestandsaufnahme (MPN) 

� Molekularbiologischer Nachweis (PCR) 

� Mikrobiologische Abbauversuche 

� Isotopenfraktionierung 


SCHADSTOFFPROFIL 

� Schadstoffprofil am Standort 

kann Hinweise auf 

Abbauvorgänge geben 

Spezifische Metabolite im Abstrom 

zeigen Schadstoffumsetzung 

(mikrobiologisch oder abiotisch) 


Cl Cl 

C = C 

Cl Cl 

Cl H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

H Cl 

H H 

C = C 

H H 

PCE 

TCE 

cDCE 

VC 

Ethen

HYDROCHEMIE 

� Hydrochemische Standort-Bedingungen 

grenzen mögliche Abbauprozesse ein 

Nachweis von Elektronen-Akzeptoren 

(Sauerstoff, Nitrat, Eisen, Mangan, Sulfat) 

und Respirationsprodukten 

(� Redoxzonierung) 

Informationen über die Verfügbarkeit von 

Auxiliarsubstraten, Nährstoffen 


O 2 

� H 2O 

NO 3 - � N2 

Fe(III) � Fe(II) 

Mn(IV) � Mn(II) 

SO 4 2- � S 2- 

CO 2 

� CH 4

MIKROBIOLOGISCHE BESTANDSAUFNAHME 

MIT DEM MPN-TEST (MOST PROBABLE NUMBER) 

� Quantifizierung von Mikroorganismengruppen 

in Grundwasser- oder Bodenproben 

Vergleichende Quantifizierung aktiver 

Schadstoff-abbauender Gruppen 

Nachweis redox-aktiver Gruppen 

ergänzt hydrochemische Daten zur Redoxzonierung 


A 

B 

C 

D 

E 

F 

G 

H 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112

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) 


MIKROBIOLOGISCHE ABBAUVERSUCHE 

� Nachweis am Standort auftretender 

mikrobiologischer Abbauprozesse 

Standortmaterial (Grundwasser, Sediment) 

Mikrokosmen 

Inkubation unter Standort-nahen Bedingungen 

Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen 


13 / 12 C-ISOTOPENFRAKTIONIERUNG 

� Nachweis mikrobiologischer NA-Prozesse 

am Standort mittels chemischer Analytik 

Quellendifferenzierung und Verursacherzuordnung 

Quantifizierung des biologischen Abbaus 

13 C 

12 C 

12 C 

12 C 

12C 

12 C 

12C 

12 

C12C 

13 12 

12 C C 12 C 

12 

C12C12C 

12 C 

13 C 

13 C 

12 C 12 C 

13 C 

12 C 

12 C 12C 

Ausgangssubstanz 

mit spezifischem 

Isotopenverhältnis 

δ13C z.B. -25‰ 

13 C 

Bakterien 

setzen 12C schneller 

um als 13 Bakterien 

setzen 

C 

12C schneller 

um als 13C April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

13 C 

12 

C12C12C12C 

12 

C12C12C12C 

12 C 

12C12C 

12 C 

13 C 

12 C 

12 C 

gebildete 

Verbindung 

abgereichert 

an 13C δ13 gebildete 

Verbindung 

abgereichert 

an 

C z.B. -30‰ 

„leichter“ 

13C δ13 gebildete 

Verbindung 

abgereichert 

an 

C z.B. -30‰ 


13C δ13C z.B. -30‰ 


und 

12 C 

12 C 

12 C 

13 C 

12 C 

13 C 

13 C 

13 C 

12 C 

12 C 

verbleibende 

Substanz 

angereichert 

an 13C δ13 verbleibende 

Substanz 

angereichert 

an 

C z.B. - 15‰ 

„schwerer“ 

13C δ13C z.B. - 15‰ 

„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 

- eine abgestufte Vorgehensweise 

- angepasst an die Standort-Begebenheiten 

- verschiedene Methoden in Kombination 

(multiple lines of evidence approach) 


O2 NO3 Cl Cl 

C = C PCE 

Cl Cl 

Cl H 

C = C TCE 

Cl Cl 

H H 

C = C cDCE 

Cl Cl 

H H 

C = C 

H Cl 

VC 

H H 

C = C 

H H 

Ethen 

� H2O � N2 Fe(III) � Fe(II) 

Mn(IV) � Mn(II) 

� S2- SO 4 

CO 2 

� CH 4 

Polymerase 

Primer 

A 

123456789101 12 

B 

C 

D 

E 

F 

G 

H 

1 

2 

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-Elektro- 

Verfahrens zur in-situ Sanierung von LCKW-Schäden 


pH-Wert 



10,0 

9,5 

9,0 

8,5 

8,0 

7,5 

7,0 

Acetogenese 


�� H 2 -konsumierende Prozesse 

vermindern Gas-Clogging 

Methanogenese 

Sulfat-Reduktion 

Nitrat-Reduktion 

0 200 400 600 800 1000 1200 

Versuchsdauer (Tage)



Anaerob-reduktiver Abbau 



H 2 

Cl Cl 

C = C 

Cl Cl 

Cl H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

Cl Cl 

H H 

C = C 

H xCl 

H H 

C = C 

H H 

PCE 

TCE 

cDCE 


VC 

Ethen 

Aerob-oxidativer Abbau 

je weniger Chloratome desto leichter abbaubar 

� Aerober Abbau trägt 

maßgeblich 

zur Schadstoff- 

Elimination bei 

produktiver Abbau 

ohne Auxiliarsubstrate 

O 2 

CO 2 

Cl - 

H 2O



c/c0 [%] 

120% 

100% 

80% 

60% 

40% 

20% 

0% 


cis-1,2-Dichlorethen 

Vinylchlorid 

+ VC 

0 5 10 15 20 

Zeit [Wochen] 

+ VC 

+ cDCE 

� produktiver Abbau von VC 

� cometabolischer Abbau von cDCE



Cathode Power supply Anode 

PCE, TCE 

Contaminated 

groundwater 

H 2 

H 2 

H 2 


- + 

cDCE, VC, 

Ethen 

Microbial degradation 

(reductive) 

Groundwater table 

O 2 

O 2 

O 2 

Dechlorination 

with O 2 

Microbial degradation 

(oxidative)


LAUFENDE PROJEKTE 

� BMWi (AiF – IGF): Nutzung neuer produktiver Abbauprozesse 

für die aerobe mikrobiologische Sanierung von CKW- 

Standorten 

� BMWi (AiF – ZIM): Entwicklung und Anwendung von PCR- 

Methoden zur schnellen Ermittlung von Isotopen- 

Anreicherungsfaktoren 

� BMBF (NanoNature – NAPASAN (Nano-Partikel zur Sanierung 

von Grundwasserschadensfällen)): Teilprojekt Wechselwirkungen 

zwischen mikrobieller und abiotischer CKW- 

Dechlorierung – Synergien und toxische Effekte 

� BMBF (deutsch-israelische Kooperation): Stimulierung des 

biologischen Abbaus komplexer halogenorganischer 

Schadstoffe in industriellem Abwasser 


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 


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! 


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 � kathrin.schmidt@tzw.de; 0721 / 9678-223 

April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart � andreas.tiehm@tzw.de; 0721 / 9678-137

Prozessverständnis des LCKW-Abbaus. Aktueller ... - MAGPlan

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?