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.
Reductive dehalogenation of chlorinated organic compounds is often limited by electron donor, i.e. hydrogen availability. The development of biomarkers indicating hydrogen flux between hydrogen metabolizing microorganisms and the expression level of hydrogenase genes is promising to assess groundwater contaminant degradative potential. To identify significant biomarkers, in the proposed research first microarray-based tools will be developed to assess abundance and expression levels of hydrogenases in pure and enriched cultures as well as in environmental field samples. Second, microcosm studies with hydrogen-metabolizing microorganisms will be performed to assess kinetics of hydrogen-relevant transformation processes in correlation with quantity and expression levels of hydrogenase genes. Third, hydrogenase genes identified to be good expression markers by microarray analysis will be additionally quantified and quantitative data will be correlated with microbial activity. Derived correlations will result in novel tools to assess biodegradative potential for reductive dehalogenation at contaminated sites leading to a more effective management of bioremediation strategies.
Das Projekt dient der Fortführung der Koordinierung und wissenschaftliche Begleitung des FuE-Verbundes RUBIN ('Reinigungswände und -barrieren im Netzwerkverbund') von 2006-2009. Neben der Koordinierung des Gesamtverbundes werden FuE-Arbeiten zur Klärung der unterschiedlichen Reaktivität technischer Eisensorten bei der LCKW-Dechlorierung durchgeführt, um für die Praxis Qualitätsanforderungen und eine Schnellbestimmungsmethode zu entwickeln und damit Planungssicherheit herzustellen. Das Projekt soll entscheidende Impulse erzeugen, die es der Technologie ermöglichen, die Marktreife zu erreichen. Es erfolgt eine übergreifende Organisation der RUBIN-Projekte und Auswertung ihrer Ergebnisse, die in die 2. Handbuchauflage eingehen. Es wird eine Kommunikations- und Imagestrategie entwickelt und umgesetzt, um die Technologie durch Akzeptanzsteigerung bei allen Anwendern zur Marktreife zu führen. Chemische Untersuchungen an technischen Fe-Sorten sollen zu einer Schnellmethode zur Vorhersage unterschiedlicher LCKW-Abbauraten und damit zu Planungssicherheit führen. Die Vorhabenergebnisse verwerten zuvorderst alle Technologieanwender. Sie dürften die Planungssicherheit und Vermarktungschancen für die Technik signifikant erhöhen.
Die mikrobiellen Abbauprozesse in einem mit leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen (LCKW) kontaminierten Aquifer werden untersucht und bewertet. Das Verbundprojekt ist dem Themenverbund Chemische Industrie und Metallverarbeitung des BMBF-Förderschwerpunkts KORA (Kontrollierter natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen bei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden; info: www.natural-attenuation.de) zugeordnet. Die bereits vorliegenden Untersuchungen am Standort belegen eine auffallend kleine Zone mit LCKW-kontaminiertem Grundwasser im Abstrom der Schadensherde. Das Schadensbild ist geprägt von den Kontaminanten Perchlorethen und Trichlorethen sowie vom Abbauprodukt cis-Dichlorethen. Entgegen den Befunden an vielen anderen LCKW-kontaminierten Standorten sind die Konzentrationen an Vinylchlorid sehr niedrig. Das aktuelle Schadensbild lässt auf aktive mikrobiologische Abbauprozesse schliessen. Ziel des Vorhabens ist die Klärung der mikrobiologischen Abbaumechanismen und die Beurteilung der Kinetik beim LCKW-Abbau mit unterschiedlichen Auxiliarsubstraten und Elektronenakzeptoren. Es werden Feld- und Laboruntersuchungen zum aeroben und anaeroben mikrobiologischen Abbau der Chlorethene und die für den mikrobiellen Abbau relevanten Redoxbedingungen ermittelt. Neben der reduktiven Dechlorierung (Halorespiration) soll die oxidative Dechlorierung mit den Elektronenakzeptoren Sauerstoff, Nitrat und Fe(III) untersucht werden. In Kooperation mit den Verbundpartnern wird die Isotopenfraktionierung beim mikrobiellen Abbau der LCKW ermittelt und hinsichtlich ihrer Aussagekraft für Felduntersuchungen beurteilt. Die Ergebnisse werden in ein numerisches Grundwassermodell zur quantitativen Erfassung der Schadstoff-Transportvorgänge integriert. Auf der Basis der mikrobiologischen Untersuchungen können darüber hinaus auch die Möglichkeiten zur gezielten Stimulation des natürlichen Abbaus aufgezeigt werden. Im Rahmen des Verbundvorhabens werden übertragbare und allgemeingültige Kriterien für die Beurteilung und das Monitoring bei NA-Prozessen an LCKW-kontaminierten Standorten erarbeitet.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines on-site Prozesses zur Elimination chlorierter Ethene aus kontaminiertem Grundwasser durch anaerobe Bakterien. Für die Prozessentwicklung wurde ein anaerober, CKW-beständiger Festbettreaktor (Volumen 3.5 m3) entwickelt, der mit natürlichem Grundwasser aus einem Grundwasserförderbrunnen durchströmt wird (Förderrate 50 bis 100 L/h). Hauptkontamination im Grundwasser ist Trichlorethen (5 - 80 mg/L). Der Festbettreaktor wurde mit den dechlorierenden Kulturen Dehalospirillum multivorans (Dechlorierung von Tetrachlorethen zu cis-1,2-Dichlorethen) und einer Trichlorethen zu Ethen dechlorierenden Mischkultur beimpft. Es wird der Einfluss der Grundwasserzusammensetzung auf die Effektivität der Dechlorierung ermittelt. Ein weiteres Ziel ist die Ermittlung des geeigneten Elektronendonators. Dieser muss einerseits möglichst selektiv die Dechlorierung fördern und andererseits kostengünstig sein.
1. Kurzfassung: In diesem Projekt sollen erstmals die Existenz und das Potenzial von relevanten Bakteriengruppen in einer existierenden reaktiven Wand mit elementarem Eisen erfasst werden. Ein Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den Einfluss von Mikroorganismen auf das Langzeitverhalten reaktiver Systeme mit Fe0 zu untersuchen. Dabei soll zum einen festgestellt werden, ob verschiedene, fuer bestimmte Grundwaesser typische Mikroorganismen faehig sind, elementares Eisen dauerhaft zu besiedeln und ob dadurch signifikante Permeabilitaetsverluste und Leistungseinbussen des reaktiven Systems entstehen. Zum anderen soll ueberprueft werden, ob und wie die Dechlorierungscharakteristik eines reaktiven Systems mit Fe0 durch verschiedene Mikroorganismengruppen beeinflusst wird. 2. Arbeitsplanung: eingeteilt in 2 Phasen; Details siehe Antrag 3. Ergebnisverwertung: Wenn es in der zweiten Haelfte der beantragten Foerderphase zu weitergehenden Versuchen zur Bioaugmentation von Fe0 reaktiven Systemen kommen sollte, ergibt sich daraus eventuell die Moeglichkeit innovative Verfahrensvarianten abzuleiten. In diesem Fall sollen die erzielten Ergebnisse auf ihre Patentfaehigkeit geprueft werden.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 87 |
| Land | 8 |
| Wissenschaft | 63 |
| Zivilgesellschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 87 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 87 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 80 |
| Englisch | 9 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 2 |
| Keine | 61 |
| Webseite | 24 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 77 |
| Lebewesen und Lebensräume | 82 |
| Luft | 76 |
| Mensch und Umwelt | 87 |
| Wasser | 80 |
| Weitere | 87 |