Schadstoffabbau als Atmungsprozess, Reduktive Dehalogenierung

Organismus des Tages Dehalococcoides ethenogenes Entnommen aus Maymo-Gatell et al., Science 1997

Organismus des Tages Dehalococcoides ethenogenes Domäne: Eubacteria Phylum: Chloroflexi Gattung: Dehalococcoides Geklaut aus Lechner et al., Biospectrum 5, 2004.

Dehalococcoides Stamm BAV1 Bild geklaut von Frank Löffler, Georgia Tech, Atlanta

Dehalococcoides CBDB1 Geklaut von Lorenz Adrian, Uni Berlin

Dehalococcoides 1989, Freedmann and Gossett, Anreicherungskultur PCE zu Ethen 1997, Steve Zinder, Isolation einer Reinkultur die PCE zu VC und Ethen reduziert Wächst bei Vancomycin und Ampicillin Hat wahrscheinlich nicht die übliche Peptidoglycan-Zellwand. Keine Gene dafür im Genom. Hochgeordnete Strukturen auf Zelloberfläche ähnlich zu S-Layer von Archaea Einkerbungen als Teilungsebenen? Sehr kleines Genom (BAV1, 1,3 MBp) 20 – 30 Operons für reduktive Dehalogenierung

Struktur der Zelloberfläche von CBDB1 Entnommen aus Adrian et al., Nature 2000

Stoffwechsel Elektronendonor ist Wasserstoff C-Quelle Acetat Chlorierte Substanzen als Elektronenakzeptor (sehr hohes Redoxpotential) Solchen Stoffwechsel gibt es in den verschiedensten Phyla

Sind chlorierte Substanzen etwas neues, antropogenes?

Sind chlorierte Substanzen etwas neues, antropogenes? Mittlerweile mehr als 1000 chlorierte Substanzen bekannt, die von Pflanzen oder Mikroorganismen produziert werden.

Beispiel reduktive Dehalogenierung C l H H2 + HCl Perchlorethylen Trichlorethylen Dichlorethylen cis trans Vinylchlorid H2 H2 H2 H2 H2

Chlorbenzolabbau durch CBDB1 1,2,3,4-Tetrachlorbenzol und andere Tetrachlorbenzole zu Trichlorbenzol 1,2,4-Trichlorbenzol zu 1,2-Dichlorbenzol

Dioxinabbau durch Dehalococcoides Stamm CDDB1 Wofür wurden Dioxine genutzt? Wie entstehen sie?

Dioxinabbau durch Dehalococcoides Stamm CDDB1 Seweso-Gift Ukrainischer Präsident

Frage? Wie würden sie Abbau von PCE im Feld untersuchen?

Abbau im Feld Wie würden sie Abbau von PCE im Feld untersuchen? Metabolitenbildung (PCE-TCE-DCE-VC-Ethen) Stabile Isotope Molekularbiologische Methoden

Quantifizierung von Abbau durch Isotopenfraktionierung Sorption Während im Falle von Abbau eine Anreicherung der Isotopen in den Proben stromabwärts einer Schadstoffquelle auftritt. Abiotic Transformation Dilution Biotransformation

Calculations of isotope fractionation The Rayleigh equation Rt/R0 = (ct/c0) (1/a -1) (1) ln (Rt/R0) = (1/a -1) x ln (ct/c0) (2) b = 1/a –1 (3) natural abundance of 13C is 1.11 % isotope fractionation in the residual fraction

Ein Feldfall für Stabile Isotopen Fraktionierungs Analyse von PCE Hunkeler et al., 2004

Redoxsequenzen im Feld

Probleme beim PCE-Abbau Abbau bleibt oft beim cis-DCE stehen VC akkumuliert (extrem giftig) Selten bis Ethen Kilometerlange Fahnen DNAPL-Phase

NAPLs Non Aqueous Phase Liquids Dense Non Aqueous Phase Liquids (dichter als Wasser) Lösungskinetik extrem langsam Hier Tafelbild der Lösungsproblematik NAPLs können nicht wirklich mobilisiert werden

Was limitiert den Abbau im Feld?

Was limitiert den Abbau im Feld? Vorhandensein von Elektronendonoren (Chlorierte) Trennung von Elektronenakzeptoren und Donoren NAPL-Phasen Vorhandensein von Mikroorganismen (Bioaugmentation)

Bioaugmentation

Gibt es den Superbac? Nein Normalerweise sind alle Organismen immer überall, die Umwelt selektiert. Ausnahme: Dehalogenierer Kommen oft nur in sehr geringen Zahlen vor Animpfen kann den Sanierungsprozess beschleunigen. Warum? Abbau wird eigentlich immer durch unzulängliche Umweltbedingungen limitiert

Strategien für Sanierung Auskoffern (Baggern) Isolieren (Pasing) Pump and treat Air Sparging Funnel and Gate Systeme (Vorallem chlorierte Substanzen, Eisen) Eisenkolloide Aufoxidieren des Aquifers Natural Attenuation Enhanced Natural Attenuation

Wann wird eigentlich saniert? Hundertausende von Altlasten allein in D Zig Milliarden geschätzter Aufwand Saniert wird meistens nicht, aber wenn z.B.: Ein Verursacher vorhanden ist Jemand das bezahlen kann Gebaut werden soll Gefahr im Verzug ist Grundstücksgrenzen überschritten werden Etc.

Auskoffern und Isolieren Immer die erste Option um die Quelle zu entfernen Es bleibt immer was zurück Isolieren ist eine erlaubte Maßnahme zur Eindämmung des Schadens (Pasing)

Pump and Treat Idee ist mit Pumpen den Stoff zu eliminieren Behandlung auf der Oberfläche Einleiten des sauberen Wassers Heißt de Facto Pumpen für immer! Millionenkosten

Air sparging Oxidieren des Aquifers durch einleiten von Luft mit langen Lanzen

Funnel and Gate Systeme Eisenspuntwände fokussieren den Grundwasserstrom Im Gate ist Eisenschrott der zu einer reduktiven Dehalogenierung führt. Wie würde die Reaktion aussehen?

Eisenkolloide Neuer Ansatz zur Quellensanierung Pumpen von Fe0-Kolloiden in den Aquifer Reduktive Dehalogenierung Noch nicht wirklich Marktreif Problem z.B. Ausbreitung im Aquifer

Oxidieren des Aquifers Z.B. Aquaconsult in Hamburg Riegel und Einleiten von H2O2 Fenton‘s Reaktion und Aufoxidieren aller Organik und Eisenphasen etc.

Natural Attenuation Letzte oder erste Wahl? Beobachten der natürlichen Selbstreinigung (Monitoring) Voraussage des Verhaltens der Fahne Methoden zur Ermittlung des Abbaus Stabile Isotope Metabolite Etc. Enhanced Natural Attenuation Zugabe von Elektronendonoren oder Akzeptoren