DE10006798A1 - Verfahren zum Ermitteln eines biologischen Schadstoffabbaus in der Umwelt - Google Patents
Verfahren zum Ermitteln eines biologischen Schadstoffabbaus in der UmweltInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Ermitteln eines biologischen Schadstoffabbaus in der Umwelt (Boden, Wasser) sollen die Isotopensignaturen bzw. eine Isotopenfraktionierung des jeweiligen Schadstoffes bestimmt und der Abbau berechnet werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines
biologischen Schadstoffabbaus in der Umwelt (Boden,
Wasser).
Die Beurteilung kontaminierter Böden oder Grundwasserleiter
gewinnt angesichts grossflächiger Kontaminationen mit
Mineralölprodukten und organischen Chemikalien zunehmend an
Bedeutung. Neben der Ermittlung des Verursachers stehen
Fragen zur Schadstoffverlagerung mit dem Grundwasserstrom
sowie insbesondere auch die biologische Abbaubarkeit unter
typischen Aquiferbedingungen im Zentrum.
Gewöhnlich wird ein Schadensfall in einem Grundwasserleiter
durch eine Kartierung der Schadstoffausbreitung im
Untergrund festgestellt. Im Abstrom einer Schadstoffquelle
stellt sich oft ein Konzentrationsgradient
wassergefährdender Substanzen ein, der auf Prozessen wie
Adsorption an die Aquifermatrix, Verdünnung mit
unkontaminiertem Grundwasser, Ausgasungen im Falle
wasserflüchtiger Substanzen oder auch dem in-situ
Schadstoffabbau durch die autochthone Mikroflora beruhen
kann.
Bisher kann der mikrobielle Abbau in z. B. kontaminierten
Grundwässern nicht zuverlässig quantifiziert werden.
Teilweise werden zur Abschätzung des mikrobiellen Abbaus
die Schadstoffkonzentrationen gemessen und mit
hydrologischen Grundwassermodellen nicht-biologische
Faktoren, wie Verdünnung oder Adsorption, die zu einer
Abnahme der Schadstoffkonzentration führen können,
abgeschätzt. Alle anderen Abnahmen werden dem mikrobiellen
Abbau zugeschrieben.
Weitere alternative Ansätze versuchen, über die
Quantifizierung der Elektronenakzeptoren im Grundwasser,
die Anreicherung von 12CO2 im Boden aus Abbau von Biomasse
oder Bildung von Sulfid oder Metaboliten den mikrobiellen
Abbau zu quantifizieren.
Die bisher zuverlässigste Methode, den mikrobiellen Abbau
zu quantifizieren, besteht im Entnehmen von Bodenproben und
dem anschliessenden Inkubieren in Bodensäulen oder
Mikrokosmosversuchen, wo der bakterielle Umsatz
quantifiziert wird. Teilweise geschieht das unter
Einbeziehung von radioaktiven Substraten. Es werden
Bohrkerne oder Bodenproben unter Laborbedingungen z. B. mit
radioaktiv markierten Substanzen auf ihren mikrobiellen
Schadstoffabbau hin untersucht. Gewonnene Abbauraten werden
dann auf Feldsituationen übertragen.
Auch die Isotopenfraktionierung ist ein seit langem
bekannter Prozess in biologischen Reaktionen. Bisher wurde
biologische Isotopenfraktionierung nur bei relativ kleinen
Molekülen, wie CO2 und Methan, genauer untersucht. Vor
allem für Methan wurden einige Untersuchungen publiziert,
in denen gezeigt wurde, dass beim biologischen Abbau von
organischen Molekülen eine Anreicherung der schweren
Isotope in der noch nicht abgebauten Restfraktion des
Substrats passiert. Aufgrund dieser Anreichung kann ein
Isotopenfraktionierungsfaktor α berechnet werden. Mit Hilfe
der Rayleigh-Gleichung und dieser Konstanten kann der
bakterielle Umsatz für ein Substrat berechnet werden,
sofern die Isotopenwerte zu verschiedenen Zeitpunkten
bestimmt werden.
Für Methan wurde versucht, aufgrund der
Isotopenverhältnisse den biologischen Abbau in der Umwelt
nachzuweisen (Rayleigh, J. W. S. 1896. Theoretical
considerations respecting the separation of gases by
diffussion and similar processes. Philos. Mag. 42: 493-498;
Hoefs, J. 1997. Stable isotope geochemistry, 4bd. Springer
Verlag, Berlin; Whiticar M. J. and E. Faber. 1985, Methane
oxidation in sediment and water column environments-isotope
evidence. Adv. Org. Geochem. 10: 759-768).
Die bisherigen Methoden zur Quantifizierung des
mikrobiellen Abbaus in der Umwelt haben alle den Nachteil,
nur indirekt Informationen über den mikrobiologischen
Schadstoffabbau zu geben. Die Quantifizierung des
Schadstoffabbaus im Grundwasser ist praktisch nicht möglich
mit den bisherigen Methoden, weil nicht unterschieden
werden kann, auf welche Art und Weise der Schadstoff im
Grundwasser verschwindet. Der Schadstoff kann durch
Verdünnung, Adsorption an der Bodenmatrix usw. oder auch
den biologischen Schadstoffabbau abnehmen, was aber nicht
unterschieden werden kann.
Laboruntersuchungen haben den Nachteil, dass die jeweiligen
Bodenproben nicht mehr unter in-situ Bedingungen vorliegen.
Das führt dazu, dass die abbauenden Bakterien sich
eventuell anreichern, wenn die Kultivierungsbedingungen
geeignet sind, obwohl die gleichen Organismen im
Grundwasserleiter unter Umweltbedingungen nicht wachsen
würden. Dadurch wird auf der einen Seite der Abbau durch
Bakterien, die unter den artifiziellen Laborbedingungen gut
wachsen, überschätzt. Auf der anderen Seite wird die
Mehrzahl der Bakterien unter Laborbedingungen nicht wachsen
und deren Abbauleistung wird unterschätzt. Vor allem
anaerobe Bakterien sind für die meisten Umweltschadstoffe
bis heute weder beschrieben noch kultivierbar. Prinzipiell
kann mit dieser Methode nur gezeigt werden, ob ein
Abbaupotential für einen bestimmten Schadstoff vorliegt
oder nicht.
Laboruntersuchungen in diesem Stil sind sehr zeitaufwendig,
da das Wachstum der schadstoffabbauenden Bakterien
normalerweise sehr langsam ist. Es ist mit mehreren Monaten
bis Jahren zu rechnen.
Aber auch das direkte Verfolgen der Schadstoffe in der
Umwelt selbst muss über einen langen Zeitraum erfolgen
(Jahre), um zuverlässige Aussagen über das langfristige
Verhalten einer Kontamination machen zu können.
Für bisherige Untersuchungen müssen ausgiebige
hydrogeologische Untersuchungen sowie Brunnenfassungen
vorliegen oder Bohrkernbohrungen bzw. Baggerschlitze
gemacht werden, was extrem teuer ist. Alle Methoden zur
Quantifizierung des mikrobiellen Abbaus, die
Summenparameter, wie Sulfidentwicklung oder Veränderungen
der Isotopensignatur im entstandenen CO2 benutzen, können
nur eine allgemeine Aussage geben, ob biologischer Abbau
wahrscheinlich vorhanden ist oder nicht. Es kann weder
quantifiziert werden, um Raten zu bestimmen, noch kann für
bestimmte Substanzklassen spezifisch gesagt werden, ob sie
auch abgebaut werden, da nicht zwischen den verschiedenen
Substanzen unterschieden werden kann. Diese Effekte können
auch aus dem biologischen Abbau irrelevanter Stoffe oder
z. B. toter Biomasse kommen.
Aufgabe des vorliegenden Verfahrens ist die Verbesserung
der Quantifizierung des biologischen Schadstoffabbaus
sowohl für einzelne relevante Substrate als auch für ganze
Stoffklassen in-situ, in der Umwelt, d. h., in Böden und
Grundwässern oder auch ex-situ in Mieten etc..
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass Isotopensignaturen
bzw. eine Isotopenfraktionierung des jeweiligen
Schadstoffes bestimmt werden und der Abbau berechnet wird.
Mit diesem Verfahren wird ein Konzept zur Kennzeichnung des
biologischen in-situ Abbaus entwickelt, das auf der
mikrobiellen Isotopenfraktionierung von organischen
Schadstoffen, wie z. B. von BTEX-Schadstoffen und Naphtalin,
beruht. Damit kann der biologische Schadstoffabbau anhand
der Kohlenstoffisotopenverhältnisse wassergefährdender
Substanzen unabhängig von anderen Einflüssen, wie
Adsorption und Verdünnung, im Aquifer erfasst werden. Damit
ist eine neue Bewertung des intrinsischen Abbaupotentials
und der zu erwartenden Ausbreitung von Schadstofffahnen
möglich.
Für den Nachweis der biologischen Abbauaktivität in der
Umwelt ist es notwendig, die Konzentrationen der jeweiligen
Schadstoffe zu ermitteln. Dazu werden Bodenproben oder
Wasserproben genommen, die Schadstoffe extrahiert und
mittels herkömmlicher Methoden, wie Gaschromatographie oder
HPLC (High Performance Liquid Chromatography) quantifi
ziert. Für die Probenahme werden herkömmliche standarti
sierte Methoden verwendet. Grundwasserproben werden mit
herkömmlichen Methoden, wie z. B. Grundwasserbrunnen gewon
nen. Es muss jedoch eine Verdunstung der Schadstoffe im
Zuge der Probenahme oder Aufbereitung ausgeschlossen
werden.
Schadstoffkonzentrationen und Isotopendaten können in
gängige Modellierungen eingebunden werden, wofür etablierte
Methoden zur Verfügung stehen.
Eine Messung der Isotopenverhältnisse eines Stoffes kann
auch mit Massenspektroskopie oder IRM-GC-MS (Isotope Ratio
Monitoring-Gas-Chromatographie-Mass-Spectrography) erfol
gen.
Im praktischen Fall werden, wie oben erwähnt, die Boden-
oder Wasserproben gewonnen. Aus den Proben werden die
Schadstoffe mit organischen Lösungsmitteln, solid phase
micro-extraction oder anderen Extraktionen extrahiert. Die
Extrakte werden mit Isotope-Ratio-Monitoring-GC-
Massenspektroskopie oder mit normaler Massenspektroskopie
oder anderen Methoden, die eine Bestimmung des Isotopenver
hältnisses erlauben, auf ihre Isotopensignatur untersucht.
Dabei können sowohl stabile Kohlenstoffisotope, Deute
rium/Wasserstoff, Chlorisotope, Schwefelisotope, Stick
stoff- und Sauerstoffisotope untersucht werden. Weiterhin
sind alle Organometall- oder Organohalogenverbindungen
potentiell untersuchbar, sowohl für die Fraktionierung des
Heteroatoms bzw. des Metallatoms oder des Kohlenstoffs oder
des Deuteriums. Verschiebungen im ermittelten
Isotopenverhältnis über die Zeit oder die
Grundwasserstrecke werden jetzt benutzt, um mit Hilfe eines
Isotopenfraktionierungsfaktors α den Anteil des
bakteriellen Abbaus am Gesamtverschwinden des Schadstoffs
zu quantifizieren. Dazu werden die
Schadstoffkonzentrationen, die biologisch umgesetzt wurden,
nach folgender Gleichung errechnet:
ln(Rt/R0) = (1/αC - 1) . ln(Ct/C0)
Diese Gleichung ist aus der Rayleigh-Gleichung
[Rt/R0 = (Ct/C0)(1/ α -1)] abgeleitet.
R ist ein Isotopenverhältnis zur Zeit 0 bzw. t und C ist
die Konzentration zur Zeit 0 bzw. t. Anstatt der Zeit kann
auch die durchflossene Wegstrecke als Parameter gewählt
werden. α ist der Isotopenfraktionierungsfaktor.
Der Isotopenfraktionierungsfaktor kann für eine bestimmte
Substanz entweder direkt im Labor gewonnen werden, in dem
hier in einem definierten Abbauexperiment mit
Bakterienkulturen die Schadstoffkonzentrationen und die
Isotopenwerte bestimmt werden, oder der
Fraktionierungsfaktor kann an einem gut untersuchten
Feldfall (z. B. eine Altlast) für einige typische
Schadstoffe ermittelt werden.
Die ermittelten Werte für den biologischen Abbau können
jetzt vom Gesamtverschwinden des Schadstoffs abgezogen
werden und die Differenz ergibt das unspezifische
Verschwinden des Schadstoffes durch Adsorption, Verdünnung
etc..
Bevorzugt wird der biologische Abbau von Umweltschadstoffen
zunächst für eine Reihe von in Frage kommenden Typen von
Bakterien, die diesen Stoff umsetzen können, untersucht,
wobei die Isotopenfraktionierungsfaktoren für die
jeweiligen Elemente des Schadstoffes bestimmt werden. Mit
diesen Faktoren wird der biologische Umsatz in der Umwelt
berechnet.
Weiterhin kann von vorhandenen Feldsituationen, in denen
geklärt ist, dass die Schadstoffe biologisch abgebaut
werden, ein Fraktionierungsfaktor ermittelt werden und
diese Werte auf neue unbekannte Testfelder übertragen
werden, um die dortige Abbausituation abzuschätzen.
Bevorzugt sollen die Isotopenverhältnisse verschiedener
Elemente eines Schadstoffes ermittelt werden, wodurch die
gewonnenen Daten unterstützt werden. Durch die
gleichzeitige Ermittlung der biologischen
Isotopenfraktionierung verschiedener Elemente kann auch
eine Quellenzuordnung bzw. Verursacherzuordnung von
Schadstoffen erfolgen. Dies ist der Fall, wenn zwei
Schadstoffquellen zwar die gleiche Isotopensignatur eines
Elementes zeigen, sich aber in der Signatur eines zweiten
Elementes unterscheiden.
Die biologische Isotopenfraktionierung wird auch dazu
verwendet, um das Isotopenverhältnis von Schadstoffen an
einem bestimmten Punkt einer Schadstofffahne zu ermitteln.
Ferner kann auch die Aktivierungsenergie des initiellen
oder des ratenlimitierenden Schritts und somit des
fraktionierenden Schritts im Abbau für die zu
untersuchenden Isotope bestimmt werden (Arheniusgleichung)
und dann über die Beziehung lnα = (Ea1 - Ea2)/RT für jede
beliebige Umwelttemperatur der Fraktionierungsfaktor dieser
Reaktion ausgerechnet und für die Ermittlung des
biologischen Abbaus am Standort eingesetzt werden.
Der Nachweis der biologischen Isotopenfraktionierung soll
sowohl qualitativ, als Aussage, ob überhaupt Abbau
stattfindet, als auch quantitativ als Quantifizierung des
Anteils des Abbaus am Gesamtverschwinden des Substrates,
geführt werden.
Es ist auch daran gedacht, dass einzelne Schadstoffe, die
in ihrem Umweltverhalten typisch sind, für bestimmte
Stoffklassen, als representative Vertreter dieser Klasse
untersucht werden, und die Anteile von Adsorption,
Verdünnung etc., die für diesen Stoff ermittelt wurden, auf
andere Vertreter dieser Klasse übertragen werden.
Möglich ist auch, für einen Vertreter einer Substanzklasse
den biologischen Abbau mittels Isotopenfraktionierung zu
bestimmen und aufgrund dieser Daten den biologischen Abbau
für andere Vertreter dieser Klasse, die sich physikalisch
chemisch ähnlich verhalten, zu ermitteln. Dies geschieht,
indem die für die Modellsubstanz errechneten Anteil von
Verdünnung, Adsorption etc. auf den zweiten Vertreter
dieser Klasse übertragen werden und der biologische Abbau
der Differenz zum Gesamtverschwinden gleichgesetzt wird.
Der somit gewonnene Fraktionierungsfaktor kann auf andere
Standorte übertragen werden.
Nach der Ermittlung des biologischen Abbaus werden
bevorzugt die Restanteile, die sich aus der Differenz zum
Gesamtverschwinden einer Substanz ergeben, verwendet, um
den Boden in Bezug auf das Adsorptionsverhalten und andere
Parameter bezüglich des Umweltverhaltens eines Schadstoffes
zu charakterisieren.
Nach der Ermittlung des biologischen Abbaus gemäss der
vorliegenden Erfindung des eben beschriebenen
Umweltverhaltens des Schadstoffes kann der Schadstoff
selber als Tracersubstanz betrachtet werden, um
beispielsweise Grundwasserflüsse zu charakterisieren und zu
quantifizieren. Weiterhin können Richtungen und Mengen von
Grundwasserflüssen ermittelt werden.
In Fällen, in denen sich die Fraktionierungsfaktoren
einzelner Elemente für den aeroben Abbau, den anaeroben
Abbau oder verschiedene Redoxverhältnisse unterscheiden,
können die Redoxverhältnisse im Untergrund oder Boden
aufgrund der Isotopenfraktionierung bestimmt bzw. die
Hauptelektronenakzeptoren und Abbaubedingungen ermittelt
werden. Damit kann eine eventuelle Sanierung optimiert
werden.
Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen
in der erstmalig möglichen Erfassung des mikrobiellen
Schadstoffabbaus direkt im Grundwasser oder in Böden bzw.
allgemein in der Umwelt. Es kann zum ersten Mal nur der
biologische Abbau ansich, unabhängig von Verdünnung oder
anderen chemischen, physikalischen Einflüssen, bestimmt
werden.
Die Methode ist mit einem ganz geringen Probenahmeaufwand
verbunden. Im Vergleich zu Laboruntersuchungen mit
Bodenproben, die sehr arbeitsaufwendig sind, muss ein
kleiner Aufwand, nämlich nur das isotopische Analysieren
von Wasserproben erfolgen, wenn einmal der
Fraktionierungsfaktor für eine Substanz bestimmt wurde.
Ausserdem kann die Quantifizierung bei bekannten
Fraktionierungsfaktoren innerhalb von wenigen Tagen
erfolgen, im Vergleich zu Monaten bis Jahren, die bisher
aufgewendet wurden.
Die Ermittlung des biologischen Abbaus als wichtigste
Grösse in der Risikoanalyse kann aus den o. g. Gründen
wesentlich kostengünstiger durchgeführt werden als mit
bisherigen Methoden.
Mit dem neuen Verfahren können Aussagen über das
Langzeitverhalten von Substanzen im Aquifer gemacht werden.
Es kann für jeden einzelnen Schadstoff eine differenzierte
Analyse gemacht werden und somit über das Verhalten
einzelner wichtiger Schadstoffe eine Aussage bezüglich des
Abbauverhaltens oder Adsorptionsverhaltens getroffen
werden.
Es kann mittels der Isotopenanalyse verschiedener Elemente
des gleichen Moleküls bzw. Schadstoffs unterschieden
werden, ob sich im Laufe des biologischen Abbaus eine
Isotopensignatur eingestellt hat, die zufällig einer
bestimmten Signatur aus der Quelle eines Verursachers
entspricht oder ob es sich wirklich um eine Kontamination
aus dieser Quelle handelt.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, dass bei der
Untersuchung von kontaminierten Böden und Wässern, wie z. B.
Grundwässer neben der hydrologischen Beschreibung und der
Erfassung der Schadstoffe auch eine Abschätzung gemacht
werden kann, wie sich die Schadstoffe bzw. die
Schadstofffahnen in Zukunft verhalten werden. Der
mikrobielle Abbau ist der wesentliche Faktor für die
potentielle Abnahme von Schadstoffen und trägt ganz
entscheidend zur Risikobeurteilung von Altlasten bei.
Bei der biologischen Bodensanierung sowohl ex-situ als auch
in-situ ist eine Erfolgskontrolle für den Auftraggeber
notwendig. Diese kann bisher nur über abnehmende
Schadstoffgehalte gegeben werden. Da aber, wie oben
erwähnt, die Grösse aus vielen Parametern besteht, kann nur
über die Quantifizierung des mikrobiellen Abbaus auch
eindeutig bestimmt werden, ob die angewandten Massnahmen
der biologischen Bodensanierung auch wirklich den
biologischen Abbau stimulieren und nicht andere Faktoren,
wie Adsorption etc.. Durch das erfindungsgemässe Verfahren
ist diese Erfolgskontrolle leicht möglich.
Neben dem biologischen Abbau ist das sonstige Verhalten des
Schadstoffes in der Umwelt in Bezug auf Adsorption,
Verdünnung etc. interessant und sollte für eine
zuverlässige Beurteilung bestimmt werden. Der Schadstoff
selber kann als hydrologischer Tracer für
Grundwasseruntersuchungen benutzt werden, ohne artifiziell
Stoffe zuzusetzen, wenn der biologische Abbau bekannt ist.
Da der biologische Abbau mit Hilfe der
Isotopenfraktionierung berechnet werden kann, sind andere
Parameter, wie Adsorption und Verdünnung bzw.
Grundwasserflüsse aufgrund der gemessenen Konzentrationen
abschätzbar.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und
graphischen Darstellungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 den Toluolabbau einer Pseudomonas putida Kultur
zeigt. mit abnehmender Substratkonzentration erfolgt eine
Zunahme des 13C/12C-Verhältnisses;
Fig. 2 zeigt den Toluolabbau einer sulfatreduzierenden
Kultur, Stamm TRM1. Mit abnehmender Substratkonzentration
erfolgt eine Zunahme des 13C/12C-Verhältnisses;
Fig. 3 zeigt einen Toluolabbau von verschiedenen
Bakterienkulturen. Auftragung der Isotopenwerte und der
Konzentraktion nach der Rayleigh-Gleichung. Die Steigung
der Kurven ergeben den Isotopenfraktionierungsfaktor α;
Fig. 4 zeigt einen Toluolabbau in einer Bodensäule. Mit
steigender Distanz vom Einlass wird das Substrat Toluol
zunehmend abgebaut. Gleichzeitig steigt das 13C/12C-
Verhältnis in der noch nicht abgebauten Restsubstanz;
Fig. 5 zeigt die Berechnung des biologischen Toluolabbaus
in einem kontaminierten Grundwasserleiters gemäss dem
erfindungsgemässen Verfahren. Das Verfahren beschreibt den
Abbau entlang der Schadstofffahne zu über 95%.
Das erfindungsgemässe Verfahren wurde angewendet, um den
biologischen Abbau von Toluol unter Umweltbedingungen zu
beweisen. Dazu wurde Toluol als Substrat in
Wachtumsexperimenten mit verschiedenen Bakterien
eingesetzt. Die Organismen wurden so ausgewählt, dass alle
potentiellen Redoxverhältnisse eines Aquifers vertreten
waren, um auch die verschiedensten anaeroben Verhältnisse
zu simulieren. Es wurde der Aerobier Pseudomonas putida,
der Denitrifizierer Thauera aromatica, der Eisenreduzierer
Geobakter metallireducens und ein Sulfatreduziererstamm
TRM1 eingesetzt. Die Bakterien wurden mit Toluol als
einziger Energie- und Kohlenstoffquelle angezogen und zu
verschiedenen Zeitpunkten der Wachstumskurve das
Isotopenverhältnis von Toluol in der jeweiligen nicht
abgebauten Restfraktion mit Isotope-Ratio-Monitoring-GC-MS
bestimmt (Fig. 1 bis 4). Die Isotopenwerte wurden
entsprechend der Rayleigh-Gleichung aufgetragen und die
Fraktionierungsfaktoren α bestimmt. Mit diesen
Fraktionierungsfaktoren wurde der mikrobielle Umsatz von
Toluol in einem Schadensfall quantifiziert. Dazu wurden
Wasserproben aus Grundwasserbrunnen entnommen, die
Isotopenwerte von Toluol gemessen und mittels der
bestimmten Fraktionierungsfaktoren der bakterielle Umsatz
im Feld errechnet. Da der Fraktionierungsfaktor von der
Temperatur abhängt, kann dies mit Hilfe der
Arheniusgleichung auch für jede mögliche Temperatur
durchgeführt werden.
Da der Fraktionierungsfaktor gleich dem Quotienten der
Reaktionsgeschwindigkeiten ist, verhält er sich direkt
umgekehrt proportional zur Temperatur. lnα = (Ea1 - Ea2)/RxT.
Ermittlung der Quelle bzw. des Verursachers einer
Kontamination aus dem biologischen Abbau und den
Isotopensignaturen.
Zwei Kontaminationen vermischen sich im Grundwasser und
sind aufgrund der Kohlenstoffisotopensignatur nicht
voneinander zu unterscheiden. Die Untersuchung des
biologischen Abbaus mit Isotopenfraktionierung zeigt, dass
sich in den Kontaminationsfahnen im Grundwasser die
Isotopensignaturen aufgrund des biologischen Abbaus
geändert haben. In diesem Fall wird zusätzlich die
Deuteriumisotopenfraktionierung hinzugezogen, um
definiertere Aussagen über die Quelle zu bekommen.
Eine Gemeinde hat einer Firma den Auftrag für eine
biologische Bodensanierung gegeben. Die Firma wendet ein
bestimmtes Verfahren an und es zeigen sich tatsächlich
Abnahmen des Schadstoffgehaltes. In diesem Fall ist es
notwendig, zu zeigen, wohin der Schadstoff verschwunden
ist, um sicher zu sein, dass der Schadstoff auch wirklich
abgebaut wurde oder ob der Schadstoff nur immobilisiert
wurde und später wieder freigesetzt werden kann. Dieser
Beweis kann durch die Bestimmung des biologischen Abbaus
mittels Untersuchung der Isotopenfraktionierung
durchgeführt werden.
Claims (11)
1. Verfahren zum Ermitteln eines biologischen
Schadstoffabbaus in der Umwelt (Boden, Wasser),
dadurch gekennzeichnet,
dass Isotopensignaturen bzw. eine Isotopenfraktionierung
des jeweiligen Schadstoffes bestimmt werden und der Abbau
berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Proben der Umwelt genommen, die Schadstoffe extrahiert
und ihre Isotopensignaturen bzw. -fraktionierung bestimmt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Extraktion mit organischen Lösungsmitteln, solid phase
micro extraction oder anderen Extraktionsmethoden erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Isotopensignaturen
bzw. der Isotopenfraktionierung mit Isotope-Ratio-
Monitoring-GC-Massenspektroskopie, mit normaler
Massenspektroskopie erfolgt, oder anderen Methoden, die
eine Bestimmung des Isotopenverhältnisses erlauben.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren Stellen der Umwelt
Proben genommen und Verschiebungen im ermittelten
Isotopenverhältnis über die Zeit und/oder die Entfernung
dazu benutzt werden, um mit Hilfe eines
Isotopenfraktionierungsfaktors α den Anteil des
bakteriellen Abbaus am Gesamtverschwinden des Schadstoffes
zu quantifizieren.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schadstoffkonzentrationen, die biologisch umgesetzt
wurden, nach folgender Gleichung errechnet werden:
ln(Rt/R0) = (1/αC - 1) . ln(Ct/C0)
wobei
α der Isotopenfraktionierungsfaktor,
R das Isotopenverhältnis zur Zeit 0 bzw. t,
C die Konzentration zur Zeit 0 bzw. t ist, wobei an die Stelle der Zeit auch die Entfernung treten kann.
ln(Rt/R0) = (1/αC - 1) . ln(Ct/C0)
wobei
α der Isotopenfraktionierungsfaktor,
R das Isotopenverhältnis zur Zeit 0 bzw. t,
C die Konzentration zur Zeit 0 bzw. t ist, wobei an die Stelle der Zeit auch die Entfernung treten kann.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Isotopenfraktionierungsfaktor α vorab im Labor oder bei
einem Feldversuch für einige typische Schadstoffe ermittelt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der ermittelte Wert für den biologischen Abbau vom
Gesamtverschwinden des Schadstoffes abgezogen und so als
Differenz ein unspezifisches Verschwinden des Schadstoffes
durch Adsorption, Verdünnung od. dgl. ermittelt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Isotopenverhältnisse
verschiedener Elemente eines Schadstoffmoleküls ermittelt
werden.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsenergie des
initiellen oder des ratenlimitierenden Schritts und somit
des fraktionierenden Schritts im Abbau für die zu
untersuchenden Isotope bestimmt wird (Arheniusgleichung)
und dann über die Beziehung
lnα = (Ea1 - Ea2) /RT
für jede beliebige Umwelttemperatur der Fraktionierungsfaktor dieser Reaktion ausgerechnet und für die Ermittlung des biologischen Abbaus am Standort eingesetzt wird.
lnα = (Ea1 - Ea2) /RT
für jede beliebige Umwelttemperatur der Fraktionierungsfaktor dieser Reaktion ausgerechnet und für die Ermittlung des biologischen Abbaus am Standort eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, dass in den Fällen, in denen sich die
Fraktionierungsfaktoren einzelner Elemente für einen
aeroben Abbau, einen anaeroben Abbau oder verschiedene
Redoxverhältnisse unterscheiden, die Redoxverhältnisse in
der Umwelt aufgrund der Isotopenfraktionierung bestimmt
bzw. die Hauptelektronenakzeptoren und Abbaubedingungen
ermittelt werden.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE10006798A DE10006798B4 (de) | 1999-02-15 | 2000-02-15 | Verfahren zum Ermitteln eines biologischen Schadstoffabbaus in der Umwelt |
Applications Claiming Priority (5)
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| DE10004275 | 2000-02-01 | ||
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE10006798A1 true DE10006798A1 (de) | 2000-11-30 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE10006798A Expired - Fee Related DE10006798B4 (de) | 1999-02-15 | 2000-02-15 | Verfahren zum Ermitteln eines biologischen Schadstoffabbaus in der Umwelt |
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| DE (1) | DE10006798B4 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009043134A1 (de) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | Bgd Boden- Und Grundwasserlabor Gmbh Dresden | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern |
| WO2014118218A1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-08-07 | Synlacta Sro | Method for measuring biologically usable energy in soil, a soil substrate, or plant matter |
-
2000
- 2000-02-15 DE DE10006798A patent/DE10006798B4/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009043134A1 (de) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | Bgd Boden- Und Grundwasserlabor Gmbh Dresden | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern |
| WO2014118218A1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-08-07 | Synlacta Sro | Method for measuring biologically usable energy in soil, a soil substrate, or plant matter |
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|---|---|
| DE10006798B4 (de) | 2004-08-19 |
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