Biologische Prozesse in einer reaktiven Wand mit Fe⁰

Teilvorhaben 17

Auswertungen zum Langzeitverhalten einer Fe⁰–reaktiven Wand

am Beispiel des Standortes Rheine

Antragsteller:

Technische Universität Berlin
Der Präsident
Vertreten durch: Abteilung III C 2, Frau C. Ewel
Straße des 17. Juni 135
D – 10623 Berlin

Zuwendungsempfänger: Dr.-Ing. Martin Steiof
Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Heidrun Rosenthal
Förderkennzeichen: 1471262
Berichtszeitraum: 01.07.2001 – 30.11.2003

Berlin, November 2003

1  Aufgabenstellung

Die Bildung von Wasserstoff (H₂) durch die anaerobe Korrosion von elementarem Eisen (Fe⁰) ist ein Prozess, der in einer reaktiven Wand mit Fe⁰ stattfindet (Dahmke, 1997; Scheutz et al ., 2000). Je nach Ausmaß können Gasblasen entstehen, die zu einer hydraulischen Blockade und somit Herabsetzung der Leistungs fähigkeit führen können. Andererseits ist es nachgewiesen worden, dass Wasserstoff aus der Eisenkorrosion von Bakterien als Elektronendonor genutzt wird (Hardy, 1983; Weathers et al ., 1997; Till et al ., 1998). Diese sogenannten hydrogenotrophen Bakterien lassen sich in den verschiedenen Gruppen der Acetogenen, Methogenen, Sulfidogenen (Sulfat-Reduzierer) und Denitrifikanten (Nitrat-Reduzierer) finden.

Von besonderem Interesse in LCKW-Schadensfällen sind hydrogenotrophe Dechlorierer, die in der Lage sind, mit Wasserstoff als Elektronendonor chlorierte Kohlenwasserstoffe umzusetzen. Während einige Vertreter der Sulfidogenen und Methanogenen LCKW cometabolisch dechlorieren, können die respiratorisch dechlorierenden Bakterien an die Reduktion von chlorierten Verbindungen einen Energiegewinn koppeln und somit höhere Umsatzraten erzielen.

Der Einfluss von Mikroorganismen auf das Langzeitverhalten reaktiver Systeme mit Fe⁰ ist bislang nur wenig untersucht (Lampron et al ., 1998; Weathers et al ., 1997; Gu et al ., 1999; Scherer et al ., 2000). Grundsätzlich denkbare Effekte können von einer Blockade der reaktiven Eisenoberfläche durch Bildung von Biofilmen („Bioclogging“) bis hin zu gesteigerten Abbauraten von LCKW durch synergistische Dechlorierungsprozesse reichen.

In diesem Projekt soll die Existenz von Bakterien in der bereits seit einigen Jahren betriebenen „Reaktiven Wand Rheine“ nachgewiesen und deren Bedeutung auf die Dechlorierung von PCE untersucht werden.

Dazu wurde im Vorfeld eine geeignete Methodik entwickelt, um Bakterien von einer Eisenoberfläche zu desorbieren ohne die Oberfläche des Eisens zu verändern. Da „gealtertes“ Eisen in den Versuchen wieder eingesetzt werden soll, um den Einfluss auf die Wasserstoffproduktion zu ermitteln, musste zudem ein Verfahren ermittelt werden, um ebenfalls ohne Veränderung der physikochemischen Eigenschaften Bakterien abzutöten. Mit „frischem“ Eisen wurden zudem die Eigenschaften beider in Rheine verwendeter Eisensorten bezüglich der Wasserstoffproduktion und der Dechlorierung von LCKW sowie ihr Verhalten in Kombinationsansätzen mit einer vorhandenen, dechlorierenden bakteriellen Mischkulturen untersucht.

2  Wissenschaftlicher und technischer Stand (vor Beginn des Vorhabens)

Bisherige Untersuchungen des Einflusses von Mikroorganismen auf das Langzeitverhalten reaktiver Systeme mit Fe⁰ (Lampron et al ., 1998; Weathers et al ., 1998; Gu et al ., 1999; Scherer et al ., 2000) ergaben sehr unterschiedliche Ergebnisse bezüglich einer mikrobiologischen Besiedlung von reaktiven Wänden, die erstmals durch Liang et al. (2000) zusammengefasst wurden.

Für die Reaktive Wand in Rheine wurde das Vorhandensein von biologischer Aktivität vermutet, da nicht durch abiotische Reaktionen mit dem Eisen erklärbare Verluste an Nitrat und Sulfat in der reaktiven Wand auftraten (Ebert et al., 1999).

Eine Literaturrecherche erfolgt in monatlichem Abstand. Veröffentlichungen aus dem Themenumfeld „Mikrobiologie, reaktive Wände und chlorierte Ethen“ wurden in einer Access-Datenbank aufgenommen und katalogisiert. Die hier abgelegten Veröffentlichungen können Interessierten auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden.

3  Durchführung des Vorhabens

Mikrobiologische Untersuchungen wurden für jeweils zwei zeitlich versetzte Probenahmen durchgeführt. Die ersten Proben wurden aus den mit Graugusseisengranulat-Kies-Gemisch und Eisenschwamm befüllten Bereichen der Reaktiven Wand in Rheine von Mitarbeitern der Universität Kiel unter möglichst anoxischen Bedingungen entnommen. Die zweite Probenahme fand ca. 6 Monate später in Kiel an mit Eisenmaterial aus Rheine bestückten Säulen statt. Dabei wurde jeweils aus den Anstrom-Säulen unter einem Argonstrom Probenmaterial entnommen, anaerob in Probengefässe überführt und mit anoxischem Carbonatpuffer versetzt. Während das entnommene Graugusseisengranulat zum Teil sehr verfestigt war, wies das entnommene Eisenschwamm stark bräunliche Verfärbungen auf, die auf oxidative Prozesse hinwiesen.

Kultivierungen wurden als Batch-Versuche durchgeführt. Die PCE-Konzentrationen in den Injektionsflaschen wurden für Versuche mit Probenmaterial aus der Reaktiven Wand in Rheine auf einen Gesamtgehalt von 25 mg PCE/l und somit in etwa der maximal gemessenen Konzentration im Zulauf der „Reaktiven Wand Rheine“ entspricht. Für Versuche mit Probenmaterial aus den Säulen in Kiel wurde die PCE-Konzentration auf 15 mg/l eingestellt.

Für weitere Versuche standen eine dechlorierende Mischkultur (DMC) zur Verfügung, die in der Lage war, 300 µM PCE (wässrige Konzentration) innerhalb von sieben Tagen reduktiv über TCE, cDCE und VC zu Ethen zu dechlorieren, wobei H₂ als Elektronendonor diente.

4  Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Organisatorische Aufgaben bzgl. der Probenahme in Rheine wurden maßgeblich zunächst von Herrn Dr. Möller und später von Herrn Dr. Wegener von der Mull & Partner Ingenieurgesellschaft mbH betreut. Bezüglich der Probenahme in Rheine und Kiel erfolgte eine enge Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Ebert, Universität Kiel. Grundwasserproben wurden freundlicherweise von Herrn Wortmann, Dr. Weßling Laboratorien GmbH zur Verfügung gestellt.

5  Wesentliche Ergebnisse (Lessons learned)

Einfluss von Mikroorganismen auf das Langzeitverhalten der Reaktiven Wand in Rheine

Im Rahmen des BMBF-Kooperationsprojektes „Auswertungen zum Langzeitverhalten einer Fe⁰–reaktiven Wand am Beispiel des Standortes Rheine“ konnte nachgewiesen werden, dass Eisen im Anstrombereich der Wand mikrobiell besiedelt ist. Ebenso konnte eine biologisch induzierte Sulfat- und Nitratreduktion identifiziert werden. Die Bildung von Acetat zeigte zudem, dass Hydrogencarbonat aus dem Grundwasser gemeinsam mit dem H₂ aus der Eisenkorrosion von Bakterien genutzt werden kann. Eine biologisch induzierte Methanfreisetzung sowie biologische Dechlorierung von PCE hingegen war nur in wenigen Proben feststellbar. Die mikrobielle Dechlorierung führte zum Endprodukt cDCE, welches sich anreicherte. Die Zellzahlen waren insgesamt als gering einzustufen, was der Arbeitshypothese entsprach, dass mikrobiologische Effekte erst in einer sehr stark gealterten Wand, die bereits einen großen Teil ihrer Reaktivität eingebüsst hat, von Bedeutung sein werden. Obwohl die tatsächliche Zellzahl höher als die bestimmte liegen wird, da die Desorption der Bakterien von der Eisenoberfläche unvollständig war, kann auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse davon ausgegangen werden, das bakterielles Wachstum in Rheine in absehbarer Zeit nicht zu Clogging-Effekten und damit zu hydraulischen Problemen führen werden. Der Einfluss von dechlorierenden Bakterien auf die Umsetzung von PCE kann durch konkurrierende Elektronenakzeptor-Prozesse durch gleichzeitiges Vorliegen von Sulfat und Nitrat im derzeitigen Stadium der Wand als gering bewertet werden. Einen wesentlichen Effekt wird der durch die Eisenkorrosion ansteigende pH-Wert auf die Besiedlung des Eisens haben. Von den untersuchten Gruppen konnten ausschließlich acetogene Bakterien stark ansteigende pH-Werte tolerieren.

Alterungsprozesse, im Sinne eines Reaktivitätsverlustes hinsichtlich der PCE-Dechlorierung und H₂–Entwicklung im Vergleich zu frischem Eisen, konnten mit der verwendeten Methodik nur für das Material Eisenschwamm festgestellt werden. Durch die Probenlagerung, -aufbereitung sowie Befüllung der Säulen waren Einflüsse auf die mikrobiologische Population der Eisenproben nicht auszuschließen. Die hohen Zellzahlen für Denitrifikanten und gleichzeitig äußerst geringen Zellzahlen für strikt anaerobe Bakterien wie den Sulfatreduzierern bestimmt für Probenmaterial der Säulen in Kiel im Vergleich zu Material aus der Reaktiven Wand deuten darauf hin, dass das Redoxpotenzial des den Säulen zugeführten Grundwassers sich vom Grundwasser in Rheine unterschied. Um eine zeitliche Veränderung der Population verfolgen zu können und damit einen echten Vergleich zu haben, hätte die zweite Probenahme wieder aus dem gleichen Bereich der reaktiven Wand in Rheine erfolgen müssen.

Welche Aussagen lassen sich aus den Ergebnissen ableiten?

•  Eine Besiedlung der reaktiven Wand in Rheine konnte nachgewiesen werden. Mit dem Grundwasser werden hydrogenotrophe Mikroorganismen angeschwemmt. Der Wasserstoff sowohl von GG als auch von ES wird von Bakterien als externer Elektronendonator verwendet. Die Zellzahlen lagen insgesamt niedrig, so dass Clogging-Effekte durch mikrobiologischen Bewuchs unwahrscheinlich ist.

•  Der reaktivere Eisenschwamm ist weniger stark besiedelt als das GG-Kies-Gemisch. Ein Nachweis von dechlorierenden Bakterien war beispielsweise nur mit GG möglich. Ausschlaggebend sind die pH-Werte für eine mikrobiologische Besiedlung.

•  Die im GG-Kies-Gemisch nachgewiesenen dechlorierenden Bakterien können PCE nur zu cDCE umsetzen. Durch die hohen Sulfat- und Nitratkonzentrationen im Grundwasser konkurrieren Sulfatreduzierer und Denitrifizierer mit den Dechlorierern um den vorhandenen Wasserstoff. Ein signifikanter positiver Effekt der dechlorierenden Bakterien auf die Dechlorierung von PCE kann ausgeschlossen werden.

Bioaugmentation der Reaktiven Wand in Rheine

Derzeitige US-amerikanische Untersuchungen beschäftigen sich mit der Bioaugmentation von dechlorierenden Mischkulturen in kontaminierte Aquifere. Da in Fe⁰–reaktiven Wänden H₂ als Elektronendonator aus der Eisenkorrosion zur Verfügung steht, wäre eine Bioaugmentation einer vollständig bis zum Ethen dechlorierenden hydrogenotrophen Mischkultur möglich. Eine derartige Mischkultur wird seit 1998 in unserer Arbeitsgruppe kultiviert. Mittels molekularbiologischen Untersuchungen konnte bestätigt werden, dass diese Kultur Dehalococcoides Spezies enthält und mit Graugusseisengranulat als Elektronendonator PCE vollständig zu dechlorieren vermag. Ein Wachstum von Dehalococcoides Spezies auf Graugusseisengranulat konnte über Kultivierung durch sequentiellen Transfer realisiert sowie molekularbiologisch mittels PCR nachgewiesen werden. Dehalococcoides Spezies wurden in vorwiegend mit chlororganischen Verbindungen belasteten Umweltkompartimenten nachgewiesen (Löffler et al., 2000; Fennell et al., 2001; Hendrickson et al., 2002; Major et al., 2002). Erst Studien belegen zudem eine erfolgreiche Bioaugmentation von Aquiferen. Ellis et al., 2000 erreichten mit der Bioaugmentation einer Mischkultur mit Dehalococcoides Spezies (Hendrickson et al., 2002) in der Dover Air Force Base (Dover AFB) eine vollständige Dechlorierung von 5 mg/l TCE zu Ethen. Im Vorfeld erfolgte durch Zugabe von Lactat und Hefeextrakt eine Biostimulierung durch Schaffung anaerober Verhältnisse und Versorgung mit Elektronendonatoren. Eine vollständige Dechlorierung zu Ethen konnte dabei unter Kreislaufführung des belasteten und inokulierten Grundwassers erreicht werden. Eine weitere erfolgreiche Bioaugmentation mit der sogenannten KB-1 Kultur, einer TCE-dechlorierenden Anreicherungskultur (Major et al., 2002) zeigt, dass die Besiedlung eines bislang Dehalococcoides freien Aquifers möglich ist. Um im Untergrund anaerobe Verhältnisse zu schaffen, wurde Methanol und Acetat zugegeben. Eine vollständige Dechlorierung zu VC mit nachfolgender Bildung von Ethen erfolgte.

Da Dehalococcoides Spezies H₂ als Elektronendonator nutzen, wurde eine Bioaugmentation mit der im Labor etablierten dechlorierenden Mischkultur von mit Graugusseisengranulat-Kies-Gemisch (entsprechend der Reaktiven Wand in Rheine) befüllten Säulen vorgenommen.

Die erzielten Ergebnisse zeigen derzeit jedoch, dass von einer Bioaugmentation der reaktiven Wand in Rheine abzuraten wäre, da eine vollständige Dechlorierung von PCE zum Ethen aus folgenden Gründen nicht gewährleistet werden kann:

•  In Säulenversuchen mit Graugusseisengranulat-Kies-Gemisch, beimpft mit der dechlorierenden Mischkultur, war eine Anreicherung von cDCE und VC zu beobachten.

•  Durch die hohen Sulfat- und Nitratkonzentrationen konkurrieren Sulfatreduzierer und Denitrifizierer erfolgreich mit den Dechlorierern um den vorhandenen Wasserstoff, was zur Folge hat, dass eine biologisch induzierte Dechlorierung unvollständig sein wird.

•  Steigende pH-Werte haben einen negativen Effekt auf die mikrobiologische Dechlorierung von PCE.

6  Verwertbarkeit der Ergebnisse

Zusammenfassend kann hinsichtlich mikrobiologischer Einflüsse auf das Langzeitverhalten von reaktiven Wänden folgendes festgehalten werden.

•  Eine Besiedlung von Fe⁰–reaktiven Wänden steht in direktem Zusammenhang mit den pH-Werten. Je reaktiver das verwendete Eisenmaterial ist, desto stärker ist der Anstieg des pH-Wertes und um so ungünstiger sind die Bedingungen für eine mikrobiologische Besiedlung. Eine Kompensation der H₂–Bildung ist somit am ehesten in Bereichen mit moderaten pH-Werten zu erwarten, während in Bereichen mit hohen pH-Werten ein Verbrauch ein mikrobieller Verbrauch von H₂ nicht stattfinden wird. Der Bau einer Gasdränage in einer Reaktiven Wand ist somit unbedingt erforderlich.

•  Soll eine mikrobiologische Beteilung möglichst lange herausgezögert werden, so sind reaktive Eisensorten wie z.B. Eisenschwamm einzusetzen. Eine Vermischung mit Zusatzstoffen wie Kies sollte vermieden werden.

•  Auch bei Verwendung hoch reaktiver Eisensorten wird eine mikrobiologische Aktivität mit zunehmender Alterung des Eisens, also nachlassender Reaktivität nicht zu verhindern sein.

•  Die Zusammensetzung des Grundwassers ist ausschlaggebend dafür, welche Bakterien sich ansiedeln werden. Hohe Konzentrationen an Sulfat und Nitrat führen zur Ansiedlung von Sulfatreduzieren und Denitrifikanten. Bei carbonathaltigen Grundwässern werden acetogene Bakterien für die Bildung von Acetat sorgen.

•  Für carbonathaltige Grundwässer sollte Acetat als Monitoringparameter ins Untersuchungsprogramm mitaufgenommen werden. Acetogene Bakterien können durch ihre Toleranz gegenüber hohen pH-Werten als Indikatororganismen für eine Besiedlung gelten und sind durch die Bildung von Acetat nachweisbar.

•  Methanogene Prozesse spielen in reaktiven Wänden eine untergeordnete Rolle, so dass negative Effekte durch Bildung von Gasblasen aus Methan nahezu ausgeschlossen werden können.

7  Erfolgte Veröffentlichungen

Ein Teil der Ergebnisse wurde unter dem Titel „Dechlorination of PCE in the Presence of Fe⁰ Enhanced by a Mixed Culture Containing two Dehalococcoides Strains“ bei der Zeitschrift Chemosphere eingereicht.

8  Literatur

Dahmke, A. 1997. Aktualisierung der Literaturstudie “Reaktive Wände” pH-Redox-reaktive Wände. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg, Karlsruhe. 33/97.

Ebert, M., W. Möller, und M. Wegner. 1999. F+E-Vorhaben Reaktive Wand in Rheine - aktuelle Ergebnisse - Altlasten Spektrum 2:109-112.

Fennell, D. E., A. B. Carroll, J. M. Gossett und S. H. Zinder. 2001. Assessment of indigenous reductive dechlorinating potential at a TCE-contaminated site using microcosms, polymerase chain reaction analysis, and site data. Environ. Sci. Technol. 35:1830-1839.

Gu, B., T. J. Phelps, L. Liang, M. J. Dickey, Y. Roh, B. L. Kinsall, A. V. Palumbo und G. K. Jacobs. 1999. Biogeochemical dynamics in zero-valent iron columns: implications for permeable reactive barriers. Environ. Sci. Technol. 33:2170-2177.

Hardy, J. 1983. Utilitsation of cathodic hydrogen by sulphate-reducing bacteria. Br. Corros. J. 18:190-193.

Hendrickson, E. R., J. A. Payne, R. M. Young, M. G. Starr, M. P. Perry, S. Fahnestock, D. E. Ellis und R. C. Ebersole. 2002. Molecular analysis of Dehalococcoides 16S ribosomal DNA from chloroethene-contaminated sites throughout North America and Europe. Appl. Environ. Microbiol. 68:485-495.

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Löffler, F. E., Q. Sun, S. Li und J. M. Tiedje. 2000. 16S rRNA gene-based detection of tetrachloroethene-dechlorinating Desulfuromonas and Dehalococcoides species. Appl. Environ. Microbiol. 64:1270-1275.

Major, D. W., M. L. McMaster, E. E. Cox, E. A. Edwards, S. M. Dworatzek, E. R. Hendrickson, M. G. Starr, J. A. Payneund L. W. Buonamici. 2002. Field demonstration of successful bioaugmentation to achieve dechlorination of tetrachloroethene to ethene. Environ. Sci. Technol. 36:5106-5116.

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