Schadstoffabbau als Atmungsprozess, Reduktive Dehalogenierung

1. Schadstoffabbau als Atmungsprozess, Reduktive Dehalogenierung

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

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

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

5. Dehalococcoides CBDB1 Geklaut von Lorenz Adrian, Uni Berlin

6. 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

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

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

9. Sind chlorierte Substanzen etwas neues, antropogenes?

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

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

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

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

14. Dioxinabbau durch Dehalococcoides Stamm CDDB1 Seweso-Gift Ukrainischer Präsident

15. Frage? • Wie würden sie Abbau von PCE im Feld untersuchen?

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

17. Quantifizierung von Abbau durch Isotopenfraktionierung e Sorption Abiotic Transformation Dilution Biotransformation

18. 12C 12C 12C 12C 12C 12C 12C 12C 12C 12C 12C 13C 13C 13C 13C 13C 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

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

20. Redoxsequenzen im Feld

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

22. 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

23. Was limitiert den Abbau im Feld?

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

25. Bioaugmentation

26. 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

27. 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

28. 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.

29. 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)

30. 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

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

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

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

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

35. 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