Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.
Chlorinated ethylenes are prevalent groundwater contaminants. Numerous studies have addressed the mechanism of their reductive dehalogenation during biodegradation and reaction with zero-valent iron. However, despite insight with purified enzymes and well-characterized chemical model systems, conclusive evidence has been missing that the same mechanisms do indeed prevail in real-world transformations. While dual kinetic isotope effect measurements can provide such lines of evidence, until now this approach has not been possible for chlorinated ethylenes because an adequate method for continuous flow compound specific chlorine isotope analysis has been missing. This study attempts to close this prevalent research gap by a combination of two complementary approaches. (1) A novel analytical method to measure isotope effects for carbon and chlorine. (2) A carefully chosen set of well-defined model reactants representing distinct dehalogenation mechanisms believed to be important in real-world systems. Isotope trends observed in biotic and abiotic environmental dehalogenation will be compared to these model reactions, and the respective mechanistic hypotheses will be confirmed or discarded. With this hypothesis-driven approach it is our goal to elucidate for the first timdehalogenation reactions.
Chlorierte Ethene koennen durch anaerobe Bakterien vollstaendig nach Ethen dechloriert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Mikrobiologie, die die letzten zwei Dechlorierungsschritte von Dichlorethen zu Vinylchlorid und von Vinylchlorid zu Ethen katalysiert, zu identifizieren und genauer zu untersuchen. Anreicherungen zielen darauf ab, Bakterien zu aktivieren, die chlorierte Ethene als Elektronenakzeptor in einer anaeroben Atmung benutzen oder cometabolisch dechlorieren. Die Bakterienanreicherungen sollen mit molekular-oekologischen Methoden untersucht werden um Hinweise auf die Identitaet der dechlorierenden Bakterien zu kriegen. Reinkulturen werden auf ihre Physiologie, Biochemie, Genetik und Oekologie hin untersucht.
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.
Im Forschungsvorhaben NanoPOP sollen Konzepte für ein nachhaltiges Recycling und eine ökonomisch wettbewerbsfähige Alternative für die Rückgewinnung von Edelmetallen aus metallhaltigen Abfällen und Abwässern erprobt werden. In nanobiotechnologischen Verfahren nutzen die Projektpartner schwermetalltolerante Bakterien als recycelbare Produzenten. Die Bakterien erzeugen gleichzeitig höchst aktive Nanokatalysatoren auf nachhaltigem Weg. Bei diesem biotechnologischen Prozess laufen mikrobielles Wachstum, Metallreduktion und Nanopartikel-Bildung simultan ab. Übergeordnetes Ziel der NanoPOP-Teilprojekte, die an der Universität Giessen bearbeitet werden, ist das mikrobielle Recycling von strategischen Edelmetallen, insbesondere von Palladium und anderen Platingruppenmetallen (PGM). Dabei soll durch die Verwendung von Mikroorganismen (TP: Nachhaltige Synthese und Recycling von Palladium Nanokatalysatoren mit Hilfe von Mikroorganismen) die Synthese von Palladium-Nanokatalysatoren mit hoher katalytischer Aktivität und Stabilität realisiert werden ('bioPalladium'), welche in Dehalogenierungsreaktionen für den Abbau von persistenten Organohalogenverbindungen eingesetzt werden können (TP: Biologisch und chemisch synthetisiertes Palladium(0): Bestimmung des katalytischen Potentials). Der Partner JLUAM wird im Projekt die Nanoskala-kontrollierte Synthese von Palladium-Partikeln und anderen (Hybrid)-Metallnanokatalysatoren an Biomembranen und Biomolekülen als Template untersuchen. Das Arbeitsprogramm umfasst u.a. die mikrobielle Produktion von Pd(0)-Nanopartikeln und Pd(0)/Metall-Hybriden aus Metallsalzen in Gegenwart unterschiedlicher Testorganismen (z.B. Cupriavidus und Pseudomonas spp.). Das katalytische Potential der biologisch und chemisch hergestellten Nanopartikel wird durch den Partner JLUISS in Dehalogenierungsreaktion mit Modellverbindungen (z.B. PCBs, Hexachlorbenzol, DDT, jodierte Röntgenkontrastmittel) getestet.
Weltweit sind Grundwässer durch die Freisetzung von Kontaminanten in die Umwelt beeinträchtigt. Darunter spielen halogenierte Verbindungen eine besondere Rolle. Sie umfassen Lösungsmittel (chlorierte Ethene und Benzole), sehr persistente Verbindungen wie PCBs, HCH und Dioxine und Dibenzofurane, von denen einige auch zu den Hauptkontaminanten im UFZ-Testfeld in Bitterfeld/Wolfen gehören. In der letzten Dekade wurden Vertreter der Gattung Dehalococcoides als einen neue Gruppe von strikt anaeroben Bakterien identifiziert, die eine außerordentliche Befähigung zur Detoxifizierung dieser Substanzen besitzen. Daher sind sie wichtige Kandidaten für die Anwendung in biologischen Sanierungsverfahren. Jedoch fehlen bisher Informationen zu ihrer Ökologie, physiologischen Kapazität und in situ Aktivität. Vor Kurzem wurden zwei Dehalococcoides-Stämme aus Proben der Bitterfelder Region angereichert und isoliert. Obwohl sie phylogenetisch eng verwandt sind, unterscheiden sie sich in ihren Dehalogenierungsfähigkeiten.Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Ökophysiologie von Dehalococcoides spp. in kontaminierten Regionen. Beide Dehalococcoides-Stämme sollen hinsichtlich ihres Spektrums an dehalogenierten Verbindungen verglichen werden. Daten aus physiologischen Untersuchungen sollen durch eine bioinformatorische Analyse der kürzlich bestimmten Genomsequenzen mit der Ausstattung an Dehalogenase-Genen verknüpft werden. Auf der Grundlage von RNA-und DNA-basierenden Methoden und der Substanz-spezifischen Analyse stabiler Isotopen sollen Methoden zum spezifischen Nachweis einer in situ-Aktivität dieser Stämme in der Umwelt entwickelt werden.
Projektziel: Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) werden auch heute noch in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Sie dienen z.B. als Metallentfettungs- und Reinigungsmittel, als Extraktionsmittel und als Insektizide, Pestizide oder Herbizide. Auf Grund Ihrer schlechten biologischen Abbaubarkeit haben CKW eine hohe Aufenthaltsdauer in Luft, Boden und Wasser, aber auch im Gewebe, d.h. sie weisen eine hohe Persistenz auf. Diese Verbindungen sind ausgesprochen giftig und können beim Menschen zu Hirn- und Leberschäden führen. Die heutigen Verfahren zur Dekontamination belasteter Böden oder Abwässer sind jedoch in der Regel recht aufwendig. Im Rahmen dieses Projektes soll daher untersucht werden, ob die katalytisch aktiven, porösen keramischen Palladium-Membranen, deren hohes Potential bereits im Fall der Nitratreduktion aufgezeigt werden konnte, für die reduktive Dehalogenierung in Wasser vorteilhaft eingesetzt werden können. In einem weiteren Schritt soll die Frage beantwortet werden, ob der Einsatz dieser Membranen die Gestaltung eines besonders einfachen Verfahrens erlaubt, welches kostengünstig, umwelt- und ressourcenschonend ist und bei niedrigen Temperaturen arbeitet. Arbeitsplan: Die in unserer Arbeitsgruppe erarbeitete Methode zur Herstellung der katalytisch aktiven Membranen mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapor deposition) soll im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit weiter verbessert werden. Zudem sollen als Träger keramische Membranen, mit Aktivkohle beschichtete Membranen und Kohlenstoffmembranen eingesetzt werden. Parallel zu den mit Palladium beschichteten Membranen, dem für die Dehalogenierung katalytisch aktivsten Metall, sollen auch Membranen mit bimetallischen Schichten (z.B. Pd-Sn) hergestellt, charakterisiert und im Hinblick auf das katalytische Verhalten für die reduktive Dehalogenierung der CKW untersucht werden. Die Untersuchungen sollen anfangs an Einzelrohrmembranen in deionisiertem Wasser in einem Laborreaktor durchgeführt werden, d.h. unter idealisierten Bedingungen. Die hierbei im Hinblick auf die katalytische Aktivität vielversprechendste Konfiguration (Membranträger/Beschichtung) soll für den Aufbau eines Membranmoduls benutzt werden, mit welchen Untersuchungen über längere Zeiträume (Wochen) im Durchflussbetrieb geplant sind. Dem bei diesen Experimenten verwendeten Grundwasser bzw. Leitungswasser sollen bestimmte Störkomponenten, wie z.B. Sulfid oder Sulfit, zugesetzt werden, wodurch insbesondere Erkenntnisse im Hinblick auf die Deaktivierung der Katalysatorpartikel im praktischen Einsatz gewonnen werden sollen. Begleitend zu allen praktischen Untersuchungen ist die Modellierung von Stofftransport und Reaktion in der katalytischen Membran zwecks der Unterstützung einer weiteren Verfahrensentwicklung geplant.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Abbaupotential von Schadstoffen durch Boden-Mikroorganismen zu bewerten. Auch die mögliche Nutzbarkeit von genetischen Methoden soll dabei berücksichtigt werden. Im Rahmen des Projektes werden die Säureharz-Deponien im Landkreis Kronach untersucht. Die Deponiekörper sind mit MWKs (Mineralölkohlenwasserstoffen), PAKs (polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen) und LCKWs (leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen) belastet. Mikroorganismen können MKWs und PAKs verwerten und so zur Reinigung des Bodens beitragen. Auch LCKWs können durch Bakterien auf natürlichem Wege vollständig zu nicht-toxischen Produkten dechloriert werden. An den untersuchten Standorten findet jedoch offensichtlich kein vollständiger Abbau statt, sondern es wird ein noch toxischeres Zwischenprodukt angereichert. Die für diese Anreicherung verantwortlichen Umweltbedingungen und genetischen Ursachen werden erforscht.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 87 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 87 |
| License | Count |
|---|---|
| offen | 87 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 80 |
| Englisch | 9 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 61 |
| Webseite | 26 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 77 |
| Lebewesen und Lebensräume | 82 |
| Luft | 76 |
| Mensch und Umwelt | 87 |
| Wasser | 80 |
| Weitere | 87 |