Description: Chlorierte Ethylene sind häufige Grundwasserschadstoffe, die reduktiv dehalogeniert werden. Zugrundliegende Reaktionsmechanismen - einschließlich der Bildung toxischer vs. unproblematischer Produkte - sind jedoch unvollständig verstanden und schwer vom Labor ins Feld zu übertragen. Um diese Lücke mit Isotopeneffekten mehrerer Elemente zu schließen, wurde in der vergangenen Förderperiode (a) neben 13C/12C auch erstmals substanz-spezifische 37Cl/35Cl Isotopenanalytik fest etabliert, sowie erstmals Isotopenfraktionierungsmuster von zwei Elementen (C, Cl) in chlorierten Ethylenen in den folgenden wichtigen Umsetzungen erforscht: (b) mikrobieller Dehalogenierung, (c) Dehalogenierung durch Fe(0), (d) Modellreaktionen mit Vitamin B12 - dem Kofaktor in allen reduktiven Dehalogenasen. Unterschiedliche Muster in C vs. Cl Isotopenfraktionierung lieferten eine erste heiße Spur, dass mikrobielle reduktive Dehalogenierung auf zwei oder mehr grundsätzlich verschiedenen biochemischen Reaktionsmechanismen beruht. In der zweiten Phase möchte ich daher aufklären, welche Mechanismen diesen unterschiedlichen Mustern zugrunde liegen durch (a) hypothesengetriebene Experimente mit sorgfältig ausgewählten Modellreaktanden, welche (b) Messungen von Wasserstoff- zusätzlich zu Chlor- und Kohlenstoffisotopeneffekten vorsehen. Mein Ansatz beruht auf den Hypothesen, dass (i) zwei bisher als unterschiedlich betrachtete Mechanismen - nukleophile Substitution und nukleophile Addition durch Vitamin B12 - mit dem gleichen Reaktionsschritt beginnen; (ii) dass diese mechanistischen Endmember durch Experimente bei unterschiedlichem pH aufgelöst werden können; (iii) dass sich Ein-Elektronen Transfer (SET)-induzierte Dehalogenierung sowohl in Wasser als auch in organischem Lösungsmittel nachstellen lässt; (iv) dass Wasserstoffisotopenfraktionierung als dritter Observablen es ermöglicht, die drei mechanistischen Endmembers aufzulösen. Ein solch detailliertes mechanistisches Verständnis wird es möglich machen, die Bildung von toxischen vs. unproblematischen Produkten in Abbaureaktionen besser zu verstehen und kann neue Ansatzpunkte für bessere Sanierungsstrategien von Altlasten liefern.
Types:
SupportProgram
Tags:
Ethylen
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Chlor
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Organisches Lösungsmittel
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Altlast
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Kohlenstoff
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Vitamin
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Wasserstoff
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Dehalogenierung
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Hydrochemie
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Hydrogeologie
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Limnologie
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Siedlungswasserwirtschaft
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Toxizität
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Abbau
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Chemische Reaktion
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Hydrologie
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Integrierte Wasser-Ressourcen Bewirtschaftung
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Reaktionsmechanismus
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Region:
Bayern
Bayern
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License: Creative Commons Namensnennung-keine Bearbeitung-Nichtkommerziell 4.0
Language: Deutsch
Organisations
-
Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
-
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik (Mitwirkung)
-
Technische Universität München, Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie, Lehrstuhl für Analytische Chemie und Wasserchemie (Projektverantwortung)
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
Last harvest: 23.09.2026 00:23
Time ranges:
2009-01-01 - 2020-12-31
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Pinpointing Chlorinated Ethylene Dehalogenation Mechanisms with Carbon, Chlorine and Hydrogen Isotope Effect Studies
Description: Chlorinated ethylenes are prevalent groundwater contaminants, which may undergo reductive dehalogenation. Currently, mechanistic insight is incomplete, product formation little understood, and available insight is difficult to transfer from lab to field. To bridge this gap with isotope effects of multiple elements, in the past period we have (a) firmly established compound-specific 37Cl/35Cl besides 13C/12C isotope analysis and explored the first dual element isotope fractionation patterns of chlorinated ethylenes in (b) microbial degradation, (c) dehalogenation by Fe(0) and (d) reactions with chemical model reactants (Vitamin B12 - the cofactor of all dehalogenases). Based on characteristically different patterns in dual element isotope fractionation (Cl vs. C), our results give a first hot lead that two or more mechanisms are at work in microbial reductive dehalogenation. In the second period I therefore aim to pinpoint the mechanisms behind these differences with (a) targeted experiments involving carefully chosen model reactants and (b) measuring besides carbon and chlorine also hydrogen isotope effects. The approach pillars on the hypotheses (i) that two pathways which were previously considered distinct - nucleophilic substitution and nucleophilic addition of Vitamin B12 - share the same initial step; (ii) that they may be deconvolved in experiments at different pH; (iii) that single electron transfer to chlorinated ethylenes can be simulated both in water and in organic solvents; (iv) that information from hydrogen isotope fractionation as third observable allows deconvolving the three mechanistic endmembers. Such detailed mechanistic understanding will make it possible to better understand the formation of toxic vs. non-problematic product in natural and engineered degradation reactions and may help developing better strategies for remediation of contaminated sites.
URL: https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1083172
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