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Bioremediation (1)
1
Bioremediation (1):
Microbiological Basics
Literatur:
F.H. Chapelle
Groundwater-Microbiology and Geochemistry
Central Questions:
- Why works in situ-BIOREMEDIATION always?
- Which role play organic contaminants?
2
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Microorganisms (Bacteria) are the „Key players“ in
BIOREMEDIATION: ubiquitary occurence!
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
- Sessile Bacteria colonies
- near main flow pathes
- wander to ED + EA-gradients
4
Cfu (g-1
sediment)
100 101 102 103 104 105 106
Dep
th [
m]
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
Aerobic bacteria (R2A agar)
Anaerobic bacteria (TSI agar)
Quarternary aquifer
Lignite seam
Tertiary aquifer
Bacterial colonization of the subsurface at the test site (SAFBIT 1/97 and 2/97)
even though oxygen(EA) is not present,
the aerob degradation pathway can be used!
important for oxygen-Injection 5
Perchlorate - Degrading Bacteria
6
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Energy- and metabolism processes of microorganisms:
What is the energy source?
Redox-Processes Energy sources!
7
e-
Cl- + O2
Biomass + CO2 Substrate (C-Quelle)
ClO4-
NO3-
O2
Example: Biological Perchlorate Degradation
Electron donors
e.g. all organic
contaminants (BTEX)
Electron acceptors
Energy gain through electron transfer
from Electron donor to Electron acceptor
ED: Plus-Pol
EA: Minus-Pol
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Bioremediation:
Processes and Tools
- Basic course 1: Redox-Chemistry
9
- Basic course 1: Redox-Chemistry
1. Redox processes?
2. Oxidation and Reduction ?
3. Determine electron donor and acceptor with the help
of the Partial charge concept (PCC)!
Redox-Processes energy sources
10
11
O2
H2O
Den
itrif
icati
on
Perc
hlo
rate
Red
uct
ion
ClO4 NO3 CO2 SO4
N2 H2S CH4 Cl-
+ 800 - 250
Redox (millivolts)
Electron
Donor
Energy gain through electron transfer
from electron donor to electron acceptor
0
Klausur: Apply the PCC for all Redox-Pairs: EA?, ED?
C6H6
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„Current“ = electron transport from electron donor (ED) to
electron acceptor (EA) like a battery
Redox-Potential-Difference determines the „Current“, that
means how fast the organic contaminant (ED) will be degradaded
necessary for microbial degradation: Minus-Pole (EA)
Limiting Factor: Absence of EA‘s (e.g. Oxygen)
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Redox potential decreases!
? mV ? mV
? mV
Which Redox-Potential (voltage) measure
the Redox-electrodes? 14
Redox-Zonation in a contaminated aquifer
O2
H2O
Den
itrif
icati
on
Perc
hlo
rate
Red
uct
ion
ClO4 NO3 CO2 SO4
N2 H2S CH4 Cl-
+ 800 - 250
Redox (millivolts)
Electron
Donor
Energy gain through electron transfer
from electron donor to electron acceptor
0
Klausur: Apply the PCC for all Redox-Pairs: EA?, ED?
C6H6
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Redox-Zonation in a pure, uncontaminated aquifer
Recharge
Redox potential decreases!
? mV
? mV
? mV ? mV
? mV
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Task: Determine the potential!
Energy gain through reductive Dechlorination:
PCE + H2 TCE + Cl- + H+
EA, ED ?
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19
20
𝑓𝐸𝐴,𝐸𝐷 ≡ 𝑈𝐹(𝐸𝐴, 𝐸𝐷) =𝑚𝐸𝐴
𝑚𝐸𝐷
HÜ8 (ÜA16, ÜA25)
BIOREM-Protokoll: Quantifizierung von Abbauprozessen
1. Feldsituation/Standort
2. Monitoring/Hypothesen
- Charakterisierung der Schadstoffquelle, Schadstofffahne
- Schadstoff, mögliche Abbauwege
3. Bilanzierung/Quantifizierung
3.1. Abbaupotenzial (BC) des GWL
- zentrale Frage: BC groß genug um Schadstoff abzubauen?
3.2. Abbau-Kinetik: Steady-State AD-Glg
3.3. Inverse Modellierung: - Bioremediation Ja/Nein?
- Schätzung der Abbaurate (kbio)
- Schätzung der Schadstoffmasse (C0)
3.4. BIOSCREEN alles in 2D!
21
BioREM-Protokoll: 3.2. Abbaukinetik für Toluen und Benzen
Toluen
Benzen
Rote Kurve:
Kurven-Fit an Felddaten: Inverse Modelling
LAbbau
Aerobic and anaerobic
degradation pathways
EA = oxygen aerobic degradation pathway (max. energy gain)
EA = Nitrat et al. anaerobic degradation pathway
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Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Aerobe und anaerobe Abbauwege für
typische organische Schadstoffe 23
Strukturformeln
wichtiger org. Schadstoffe
= Elektronendonatoren
Skript
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PCE, TCE,
DCE, VC
BTEX
MCB, DCB
MTBE
Schadstoffhäufigkeit im Abstrom von Schadensfällen
60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60
TCE
PCE
Dichlorethen (trans)
Trichlormethan
Dichlorethen (1,1)
Dichlormethan
Trichlorethan (1,1,1)
Dichlorethan (1,1)
Dichlorethan (1,2)
Phenol
Aceton
Toluol
Diethylhexylphthalat
Benzol
VinylchloridDeutschland USA
TCE
PCE
Dichlorethen (cis)
Benzol
Vinylchlorid
Trichlormethan
Trichlorethan (1,1,1)
Xylol
Dichlorethen (trans)
Toluol
Ethylbenzol
Dichlormethan
Dichlorbenzol
Chlorbenzol
Tetrachlormethan
Schadensfälle / % nach G. Teutsch, P. Grathwohl, 1997
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Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld
Jessnitz
Wolfen
Muldenstein
RossdorfBurgkemnitz
Schlaitz
Altjessnitz
Raguhn
KledewitzThurland
Reuben
Thalheim
Sandersdorf
B100
B184
> 1000 µg/L AOX
300 - 1000 µg/L AOX
60-300 µg/L AOX
20 - 60 µg/L AOX
10 - 20 µg/L AOX
Bitterfeld
Biedersdorf
Mühlbeck
Pouch
A 9
5 km
Dichloromethan
1,1-Dichlorethen
cis-Dichlorethen
trans-Dichlorethen
Trichlormethan
1,1-Dichlorethan
1,2-Dichlorethan
1,1,1-Trichlorethan
1,1,2-Trichlorethan
Tetrachlormethan
Trichlorethen
Tetrachlorethen
1,1,1,2-Tetrachlorethan
1,1,2,2-Tetrachlorethan
Pentachlorethan
Hexachlorethan
Vinylchlorid
Benzen
Toluen
Chlorbenzen
1,2-Dichlorbenzen
1,3-Dichlorbenzen
1,4-Dichlorbenzen
25 km2 mit einem geschätzten Volumen von mehr als
200 Mio m3 kontaminiertem Grundwasser
1,2,3-Trichlorbenzen
1,2,4-Trichlorbenzen
1,2,5-Trichlorbenzen
1,3,5-Trichlorbenzen
2-Chlorphenol
3-Chlorphenol
4-Chlorphenol
2,3-Dichlorphenol
2,4-Dichlorphenol
2,5-Dichlorphenol
2,6-Dichlorphenol
3,4-Dichlorphenol
3,5-Dichlorphenol
2,3,4-Trichlorphenol
2,3,5-Trichlorphenol
2,3,6-Trichlorphenol
2,4,6-Trichlorphenol
2,3,4,5-Tetrachlorphenol
2,4,5,6-Tetrachlorphenol
Pentachlorphenol
4-Chlor-3-methylphenol
1-Chlor-3-methylphenol Sanierungsforschung
in regional kontaminierten
Aquiferen
26
27
Destabilisierendes
Dipolmoment!
Abbauweg erfolgt über Catechol!
Aerober Abbauweg von Benzen zu Catechol Ringspaltung
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Aerober Abbauweg von Chlorbenzen
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Möglicher aerober Abbauweg
von MTBE
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Abbauwege höher-
chlorierter KWs
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HÜ8 – Aufgabe 25: Gekoppelter PCE-TCE-Abbau
Zur Wiederholung
Start SS2015: 17.4.2015
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Höher-chlorierte Kohlenwasserstoffe
sind häufig persistent gegenüber aeroben Abbau
HCH, PCE
Case study: Auensee-Leipzig
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TCE PCE TCA
Case study: Auensee-Leipzig
Exkursion!
lignite seam
Auensee
H2-O2-Injektion
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Case study: Auensee-Leipzig
34
Case study: Auensee-Leipzig
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HÜ8: ÜA 16 + 25: Bioremediation
Dechlorierungsreaktion: PCE + 2e- + H+ TCE + Cl- : (kPCE)
TCE + 2e- + H+ DCE + Cl- : (TCE)
Differentialgleichungen für „Parents-Daughter-Reaction“:
PCE
PCE
PCEPCE
PCE
PCE CR
k
x
C
R
u
t
C
PCE
TCE
PCETCE
TCE
TCETCE
TCE
TCE CR
kfC
Rx
C
R
u
t
C
Reine Advektion:
Steady-state-Lösung:
C(x,t) – Konzentration (mg/l), k – Abbaurate (1/Tag),
u – Abstandsgeschwindigkeit (m/Tag)
Diskussion der ÜA25 Skript: ÜA mit Lsgn
EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!)
x
u
kxCxC PCE
PCEPCE exp)0()(
x
ux
u
k
k
xCkfxC TCEPCE
PCETCE
PCEPCETCE
expexp
)0()(
Keine Zeitabhängigkeit!
x
u
kxCtkfxC PCE
PCEPCETCE exp)0()(
PCETCE k
PCETCE k
Tools zur
Bioremediation-
Technologie-Optimierung
Biocapacity-Konzept:
Welches Abbaupotential besitzt unser Aquifer?
Start SS2015: 17.4.2015
39
40
HÜ9
41
Field data
42
Field data
43
Field data
Bioremediation:
BIOSCREEN-Course
Reaktiver Transport BIOSCREEN
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Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (3)
Ddisp = Dispersionskoeffizeint
siehe Skript!
4. advektiver, dispersiver Transport („diffusiver“ Transport im strömenden Grundwasser) :
dx
dCu
dx
CdD
dx
Cujd
dt
dC TT
Tdisp
TTTT
2
2)(TldispdispdispwT uDRDDRuu ,/,/ 0
Lösung für konstante Randbedingung (ÜA 22):
),(),(
2),( 0 txgErfc
D
xuExptxgErfc
CtxC
disp
TT
tD
tuxtxg
disp
T
2),(
0),0( CtxCT
Task 22-3, Task 23-2
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Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (4)
Reaktiver Transport
RT
TT
dispT Q
dx
dCu
dx
CdD
dt
dC
2
2
TldispdispdispwT uDRDDRuu ,/,/ 0
2. Steady-state-Annahme:
0)0( CxCT
TR CkQ 1. Für Reaktionsrate verwenden wir Kinetik 1.Ordnung:
TT
TT
dispT kC
dx
dCu
dx
CdD
dt
dC
2
2
TT
TT
disp kCdx
dCu
dx
CdD
2
2
0
3. Berücksichtigen nur konvektiven Transport:
TT
T kCdx
dCu
Analytische Lösung (steady-state, 1. order, reaktiver Transport) :
)/exp()( 0 uxkCxCT
BIOSCREEN: Centerline
HÜ8
1) Solute transport without decay (k = 0!),
2) Solute transport with biodegradation modeled as a
first-order decay process
3) Solute transport with biodegradation modeled as
an "instantaneous" biodegradation reaction
BIOSCREEN
EXCEL: Extras Makros Sicherheit niedrig
Wer Software haben will, bitte e-mail an mich!
2) Solute transport with biodegradation modeled as a
first-order decay process
1 EA = Oxygen
Nur wenn EA vorhanden, kann
BTEX abgebaut werden, d.h.
C0_TCE(NA) <= BC!
3) Solute transport with biodegradation modeled as
an
"instantaneous" biodegradation reaction
Bioremediation-
Seminar 1 + 2
BIOSCREEN for SAFIRA test site LEUNA
Biodegradation of BTEX/MTBE
55
56
57
Field data
58
Field data
59
Field data
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70