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.
In-situ-Reaktionswände werden als kostengünstige Alternativen zu herkömmlichen Sanierungsmethoden für Grundwasserschäden diskutiert. In Deutschland wird dieses Verfahren bereits für diverse Schadstoffe, hauptsächlich jedoch leichtflüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe (LCKW) eingesetzt. In der Praxis wird ein geeignetes Material in den Grundwasserstrom als Barriere eingebracht und passiv durchströmt. In der Wand werden dann die Schadstoffe durch angepasste Prozesstechnologien behandelt. Im Falle der LCKW wird Eisengranulat als Wandfüllung eingebracht, durch das die chlorierten Kohlenwasserstoffe reduktiv dechloriert und in unschädliche Verbindungen umgewandelt werden. An einer ehemaligen Deponie bei Lauf a.d. Pegnitz wird das Verfahren mit Hilfe von Labor- und Feldversuchen getestet. Die Versuche haben zum Ziel die prinzipielle Eignung und Langzeitstabilität der Methodik an dem speziellen örtlichen Grundwasser zu untersuchen und eine Dimensionierung für eine eventuell zu errichtende Wand zu ermöglichen. Die Ergebnisse können als Handlungsempfehlung für ähnliche Projekte in Bayern verwendet werden. Der Grundwasserleiter im Abstrom der Deponie ist mit Tetrachlorethen, Trichlorethen und cis-Dichlorethen belastet. Herkömmliche pump-and-treat-Methoden zeigen an dem Standort keine nachhaltige Erniedrigung der Schadstoffkonzentrationen. Die Versuche gliedern sich in zwei Phasen. In der ersten Phase werden Laborversuche durchgeführt um eine prinzipielle Eignung des verwendeten Reaktormateriales zu erbringen. Dazu wird das Eisen in speziell angefertigte Säulen gefüllt und mit dem vor-Ort abgepumpten, belasteten Grundwasser durchströmt. Entlang einer Traverse werden in den Säulen Wasserproben genommen und untersucht. So können Veränderungen der Schadstoffkonzentrationen und verschiedener Wasserparameter entlang der Fliessstrecke gemessen werden. In der anschließenden zweiten Versuchsphase, wird in Großsäulenversuchen vor-Ort, die Langzeitstabilität der Eisenfüllung untersucht. Diese größeren Säulen werden dabei permanent mit dem belasteten Grundwasser durchströmt. In regelmäßigen Abständen erfolgt eine Beprobung der Säulen um das Abbauverhalten im laufe der Zeit zu untersuchen. Eine Untersuchung des Reaktormateriales am Ende des Versuchszeitraumes gibt Rückschlüsse auf eventuelle Probleme, die die Langzeitstabilität des Materiales beeinträchtigen können.
Ziel des Vorhabens ist das Erarbeiten der wissenschaftlichen Grundlagen zur Sanierung von dioxinkontaminierten Boeden unter Nutzung von deren biologischem (bakteriellen und pilzlichen) Potential. a) Dechlorierung der Dioxine unter reduktiven Bedingungen: Zur Optimierung werden unter Einsatz von Hexachlorcyclohexan als Ersatzmolekuel fuer Dioxine reduktive Bedingungen (u.a. verschiedener Elektronendonatoren) variiert und der bakterielle Stoffwechsel identifiziert. b) Abbau dechlorierter Dioxine durch ligninabbauende Pilze: Mit bereits aus langzeitdioxinbelasteten Boeden isolierten Bodenpilzen und mit Weissfaeulepilzstaemmen (Holzpilze) wird ein Screening auf das Potential zum Abbau des Dioxinmolekuels gefahren. Mit positiven Staemmen soll eine Optimierung angestrebt werden. Zur Optimierung der Dechlorierung von polychlorierten Dibenzodioxinen und Furanen in Boeden werden verschiedene Varianten der anaeroben Boden-Inkubation und Zugabe von e-- Donatoren in einem Modell erprobt. Als Xenobiotikum wird in diesem Modell 36Clmarkiertes Hexachlorbenzol verwendet. So wird der Einfluss von Glucose, Strohmehl, Grasschnitt, Rindermist und Biogasreaktor-Inokulum auf die Ausbildung eines anaeroben Consortiums und somit auf die Dechlorierung getestet. Ergebnisse liegen aufgrund der langen Versuchslaufzeiten noch nicht vor. Ferner werden 400 Bodenpilze, die aus den kontaminierten Boeden selektiv auf Strohmehl isoliert wurden, einem Screening auf die Enzyme Lactase, Per oxidase und Lignin Peroxidase unterzogen. Diese lignolytischen Enzyme werden in Zusammenhang mit dem Abbau verschiedener Xenobiotika gebracht. Das Screening ist noch nicht beendet, doch hat sich bereits erwiesen, dass ein Grossteil dieser Pilze diese Enzyme induzieren kann.
1. Vorhabenziel Im Verbundprojekt NanoPOP entwickeln 7 Partner Strategien zur ressourceneffizienten Nutzung recyclebarer und recycelter Edelmetalle als effektive Dehalogenierungs-katalysatoren zum Abbau persistenter Organohalogenverbindungen in Wasser. Das Teilprojekt des UFZ 'Umweltkatalyse und Schutz der Palladium-Nanokatalysatoren' wird biologisch und chemisch erzeugte Nanopartikel vergleichend evaluieren. Die extrem hohe intrinsische Pd-Katalysatoraktivität soll im Hinblick auf Materialeffizienz für umwelttechnisch relevante Anwendungen ertüchtigt werden. Dabei stehen die Recyclingfähigkeit durch Funktionalisierung mit magnetischen Komponenten und die Resistenz der Nanopartikel im Langzeittest und der Schutz durch hydrophobe chemisch oder biologisch aufgebrachte Schichten im Vordergrund der Arbeiten. 2. Arbeitsplanung Im Projekt werden neue innovative biologische Methoden der nachhaltigen Rückgewinnung strategischer Edelmetalle erprobt und zur Herstellung von Edelmetallkatalysatoren zur Wasserreinigung eingesetzt. Dabei konzentrieren sich die Arbeitspakete des UFZ auf die vergleichende Evaluierung des katalytischen Potenzials der biologisch und chemisch erzeugten Katalysatoren in Hydrodehalogenierungstests mit Modellverbindungen, der eingehenden Charakterisierung der Katalysatoreigenschaften und vor allem der Ertüchtigung der chemPd- und bioPd-Katalysatoren in Richtung Langzeitstabilität und Schutz vor desaktivierenden Wasserinhaltsstoffen.
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.
Im Verbundprojekt NanoPOP entwickeln 7 Partner Strategien zur ressourceneffizienten Nutzung recyclebarer und recycelter Edelmetalle als effektive Dehalogenierungskatalysatoren zum Abbau persistenter Organohalogenverbindungen in Wasser. Arbeitsziel des Partners aus TU Dresden ist die Charakterisierung biologisch und chemisch synthetisierter Pd-Hybrid-Katalysatoren und die chemische Herstellung von Referenzmaterialien . Im Hinblick auf Materialeffizienz, stehen die Recyclingfähigkeit und die Resistenz der Nanopartikel im Langzeittest und der Schutz durch hydrophobe chemisch oder biologisch aufgebrachte Schichten im Vordergrund. Die Charakterisierungstechniken beinhalten TEM und hochaufgelöste TEM, DLS, und XRD-Messungen und geben Aufschluss über Partikelgrösse, Partikelgrössenverteilung, Struktur und Zusammensetzung. FTIR- und konfokale Raman-Spektroskopie werden genutzt, um Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit der Nanopartikel zu erhalten.
| 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 |