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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

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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

8

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

12

„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)

13

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

15

Redox-Zonation in a pure, uncontaminated aquifer

Recharge

Redox potential decreases!

? mV

? mV

? mV ? mV

? mV

16

Task: Determine the potential!

Energy gain through reductive Dechlorination:

PCE + H2 TCE + Cl- + H+

EA, ED ?

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18

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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

28

Aerober Abbauweg von Chlorbenzen

29

Möglicher aerober Abbauweg

von MTBE

30

Abbauwege höher-

chlorierter KWs

31

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

35

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

45

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

46

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

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Field data

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Field data

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Field data

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