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A BBAUVERHALTEN VON POLYCYCLISCHEN AROMATISCHEN K OHLENWASSERSTOFFEN

PAK sind prinzipiell mikrobiell abbaubar, was durch eine Vielzahl an Laborversuchen bereits belegt ist. Das Grundprinzip der mikrobiellen Sanierung besteht in einer Optimierung der für die Mineralisierung erforderlichen Milieubedingungen in Boden und Wasser der

kontami-fügbarkeit der Schadstoffe, die einerseits auf der schlechten Wasserlöslichkeit insbesondere der höher kondensierten PAK, und andererseits auf der festen Einbindung der Schadstoffe in die Bodenmatrix bei Lehmen und Tonen beruht. Daneben haben sowohl hydraulische und andere geologische Gesichtspunkte einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf die Abbau-barkeit der Kontaminanten. Die in Laborexperimenten gefundene nahezu vollständige Mine-ralisierung gewisser PAK läßt sich nicht ohne weiteres auf die Sanierung von realen Gas-werksstandorten übertragen.

In Abb. 11.1 und 2 sind Ergebnisse aus Perkolationsexperimenten dargestellt, in denen PAK-kontaminierte Böden mit Wasser, dem die für Wachstum und Vermehrung der Bakterien wichtigen Mineralien beigefügt waren, durchspült wurden. Diese Systeme wurden im Kreis-lauf geführt, der Eintrag des Sauerstoffs erfolgte über die Wasserphase. Die in den Abbildun-gen erkennbaren Konzentrationsabnahmen wurden durch die Abbauaktivität hinzugegebener PAK-adaptierter Mischkulturen bewirkt. Es handelte sich dabei um Bakterien-Mischkulturen, die ursprünglich aus kontaminierten Standorten entnommen und im Labor selektiv angerei-chert wurden.

mg / kg

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

CHR BZP BZA

FLA PYR FLO PHE

ACE ACY

NAP

Anfangskonz.

Endkonz.

Abnahme 92 %

Abb. 11.1: Änderung der PAK-Konzentrationen in einem kontaminierten Modellboden (Quarzsand) durch mikrobiellen Abbau in einem Perkolationsexperiment, Angaben in mg/kg

m g / kg

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

IP BZP

BZF(b) CHR BZA PYR FLA

ANT PHE

FLO

ACE ACY NAP

Anfangskonz.

Endkonz.

BZF(k) DBA +

BZPY Abnahme 33 %

Abb. 11.2: Änderung der PAK-Konzentrationen in einem kontaminierten Gaswerksboden durch mikrobiellen Abbau in einem Perkolationsexperiment, Angaben in mg/kg

In beiden Diagrammen sind die Endzustände der Versuche dargestellt, d. h. diese Konzentra-tionen hatten sich nach zwei bis dreimonatiger Versuchsdauer eingestellt und nahmen im weiteren Verlauf nicht mehr ab. Bei beiden Experimenten waren am Versuchsende im Boden-spülwasser keine PAK mehr nachweisbar.

Diese sehr unterschiedlichen Versuchsergebnisse wurden für den vorliegenden Artikel aus einer Serie von Abbauversuchen ausgewählt und gegenübergestellt, um einmal aufzuzeigen, wie unterschiedlich die mikrobiellen Abbauleistungen im Boden trotz identischer Behandlung ausfallen können. Aus diesen Ergebnissen wird deutlich, daß nicht alleine die biologische Ab-baubarkeit der Substanzen entscheidend den Abbauerfolg einschränkt, sondern offensichtlich noch andere Faktoren eine limitierende Rolle spielen.

Die wichtigste Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Bioverfügbarkeit der PAK, die in Abhängigkeit von Art und Zusammensetzung des Bodens unterschiedlich stark in die Boden-matrix adsorptiv eingebunden werden. Infolgedessen liegen sie oft so immobil im Boden vor, daß sie nur in sehr geringem Maß in die wässrige Phase übergehen und daher dem biologi-schen Abbau nicht zur Verfügung stehen. Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammen-hang auch das Alter der Kontamination, da PAK eine gewisse Zeit benötigen, um in die Mi-kroporen des Bodens vorzudringen. Darüber hinaus stellt die unvermeidbare Bildung beson-ders gut wasserlöslicher Metabolite und Dead-end-Produkte während des Abbaus ein wichti-ges Kriterium für die Anwendbarkeit der mikrobiellen Sanierung dar. Die ökotoxikologische Relevanz dieser gebildeten Substanzen gilt es näher zu charakterisieren, um eine umfassende Bewertung dieses Verfahren im Hinblick auf die Grundwassergefährdung vorzunehmen.

nuierlich arbeitende Gasanalysatoren durchströmt und die O2- und CO2-Konzentrationen on-line aufgezeichnet. Alle für die Versuchseinrichtungen verwendeten Materialien bestehen aus Glas, Teflon und Edelstahl, wodurch Schadstoffverluste durch Adsorption und Diffusion nur in sehr geringem Maß auftreten. Die on-line Daten werden während eines Versuchs direkt auf einem Monitor graphisch über der Versuchszeit aufgetragen.

Im folgenden sind Ergebnisse aus Experimenten mit diesen Perkolatoren dargestellt.

Abb 3. zeigt die Konzentrationen der Verbindungen Naphthalin, 1-Methylnaphthalin, 2-Methylnaphthalin, Acenaphthylen und Acenaphthen, die sich während des Perkolationsbe-triebes im Wasser einstellten. Es handelte sich dabei um ein Modellexperiment, in dem ein mit diesen PAK beladener Quarzsand im Kreislauf gespült wurde, das Spülwasser wurde mit einer PAK-adaptierten Bakterienmischkultur beimpft.

1 15 31 50 81 89 101 109 123 171 270 343

Zeit in Stunden

NAP 2-NAP

1-NAP ACY

ACE

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

PAK-Konzentration in µg/l

Abb. 11.3: PAK-Konzentrationen (Naphthalin, 2-Methylnaphthalin, 1-Methylnaphthalin, Acen-aphthylen, Acenaphthen) im Spülwasser einer Perkolationsanlage, Angaben in µg/l

Es ist deutlich zu erkennen, daß nach 15 bis 30 Stunden bei vier der fünf Verbindungen eine sehr starke Konzentrationserniedrigung einsetzte, lediglich Acenaphthen lag weiterhin in kon-stanter Konzentration vor und verschwand erst deutlich später. Diese schnelle Abnahme der Konzentrationen zeigt den Beginn des mikrobiellen Abbaus an, die Schadstoffe wurden in die Bakterienzellen aufgenommen und waren daher im Wasser kaum noch zu analysieren. Der Abbau lief zum Teil über Abbauzwischenprodukte, die in das Medium ausgeschieden, und nach einer phasenweisen Anreicherung weiter abgebaut wurden.

Abb. 11.4 zeigt den Verlauf der CO2-Produktion und der O2-Zehrung während diese Experi-ments.

Modellstandort-Symposium März '93

Zeit in Stunden

CO2- Konzentration in Vol.%

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 12 24 37 49 61 73 86 98 110 122 135 147 159 171 185 206 229 250 271 296 322 346

16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21

O2 - Konzentration in V

CO2 O2

Abb. 11.4: O2- und CO2-Konzentrationen in der Abluft der Perkolationsanlage, Angaben in Vol.%

Die nach etwa 20 Stunden beginnende CO2-Produktion bzw. O2-Zehrung belegt deutlich, daß die in Abb. 11.3 dargestellte Konzentrationserniedrigung auch gleich mit einem Umsatz der Verbindungen in den Bakterienzellen verbunden war. Die mikrobielle Abbauaktivität stieg an und ging anschließend in ein leicht abfallendes Plateau über. In dieser Phase wurde Naphtha-lin, 1-MethylnaphthaNaphtha-lin, 2-Methylnaphthalin und Acenaphthylen metabolisiert. Der zweite große Peak zeigt den Abbau der Metabolite an, die sich zwischenzeitlich im Bodenspülwasser angereichert hatten. Ab der 140. Stunde ließ die Abbauaktivität aufgrund des eingetretenen Substratmangels langsam nach. In dieser Phase wurde auch ein Teil des gelösten organischen Kohlenstoffs und der Biomasse abgebaut.

Am Ende dieses Experiments wurde über die Daten der CO2- und O2-Abluftanalysen eine Berechnung der Mineralisationsrate durchgeführt. Diese Bilanzierung ergab über die CO2-Produktion eine Mineralisation von 51% und über die O2-Zehrung von 72%, d. h. rund 50%

der aus dem Boden entfernten PAK lagen zum Ende diese Versuchs noch in Form von Bio-masse und nicht näher identifizierbaren organischen Verbindungen vor.

Bei den üblicherweise vorliegenden Mischkontaminationen konnte gezeigt werden, daß der Abbau der verschiedenen Substanzen mit unterschiedlichen Kinetiken verläuft.