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Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs
(2002)
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 546 ,,Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser" der Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs untersucht. Ausgewählt wurden verschiedene Vertreter der Stoffklassen Antioxidantien und Phosphorsäureester sowie die beiden Xenoöstrogene Bisphenol A und 4-Nonylphenol, denen eine endokrine (hormonähnliche) Wirkung auf Organismen zugeschrieben wird. Solche Umweltchemikalien werden seit ca. 40 Jahren in großen Mengen für verschiedene Zwecke in Industrie und Privathaushalten eingesetzt oder sie entstehen durch photochemischen oder mikrobiologischen Abbau unter Umweltbedingungen. Die Chemikalien gelangen durch Produktion und Verwendung in die Abwässer und werden durch Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer eingetragen. Durch den Prozess der Uferfiltration werden im Oderbruch organische Verbindungen von der Oder ins Grundwasser des angrenzenden Aquifers transportiert. Viele Umweltkontaminanten sind unter aeroben Bedingungen gut biologisch abbaubar. Wie sie sich aber in einer sauerstofffreien Umgebung verhalten, ist bis heute relativ unerforscht. Es ist notwendig, die Prozesse bei der Uferfiltration zu kennen, da heute zunehmend mehr Trinkwasser aus Uferfiltrat gewonnen wird und Umweltchemikalien somit eine potentielle Gefahr für die Trinkwasserversorgung darstellen. Eine zweite Eintragsquelle stellen die Niederschläge dar. Viele organische Verbindungen besitzen die Fähigkeit, aufgrund ihrer physikalischen Paramter von freien Wasser- und Bodenoberflächen oder aus den Produkten, in denen sie enthalten sind, in die Atmosphäre zu verdampfen. Über den Regen gelangen sie schließlich zurück auf die Erde und können so mit dem Sickerwasser bis in tiefere Zonen des Aquifers transportiert werden. Für Vergleichszwecke wurden auch andere Fließgewässer in Deutschland bezüglich der Belastung durch die ausgewählten Umweltchemikalien untersucht. In Ergänzung und Fortsetzung bisheriger Publikationen wurde mit der vorliegenden Arbeit die Konzentrationsentwicklung dieser Stoffe in den Flüssen Rhein, Main, Elbe, Nidda und Schwarzbach dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Frage nach dem Eintrag dieser Umweltchemikalien in die Flüsse zu beantworten. Dazu wurde Abwasser und Regenwasser auf die Anwesenheit der entsprechenden Verbindungen untersucht. Das Hauptuntersuchungsgebiet stellte die Oder im Grenzbereich Deutschland-Polen sowie der anaerobe Grundwasserleiter des Oderbruchs dar. Dieses Gebiet westlich der Oder im Bundesland Brandenburg wurde ausgewählt, da hier die besondere hydrologische Situation gegeben ist, dass das Flusswasser der Oder mit Geschwindigkeiten von 0,2-5 m/d in den angrenzenden Aquifer infiltriert. Da im Aquifer des Oderbruchs durchweg reduzierende Verhältnisse herrschen, eignet sich dieser in besonderer Weise, das Verhalten organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Hydrogeologisch betrachtet sind im quartären Untergrund des Oderbruchs zwei Hauptgrundwasserleiter ausgebildet. Beide Horizonte werden durch eine undurchlässige Schicht aus Geschiebemergel voneinander getrennt. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war ausschließlich der obere Hauptgrundwasserleiter, in dem durchweg anaerobe Bedingungen herrschen. Bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 20-30 m wird der Aquifer im wesentlichen aus holozänen und pleistozänen Sanden und Kiesen aufgebaut. Charakteristisch für das Oderbruch ist der sogenannte ,,Auelehm". Es handelt sich hierbei um flächenhaft verbreitete bindige Deckschichten mit unterschiedlichen Mächtigkeiten. In einigen Bereichen des Oderbruchs fehlen diese undurchlässigen Deckschichten völlig, weshalb das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer eindringen kann. In anderen Bereichen variiert die Mächtigkeit des Auelehms lokal. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt sie stark ab. In Bereichen ab ca. 3000 m Entfernung vom Fluss sind die Auelehmdeckschichten nicht mehr vorhanden, weshalb hier der Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen in einen Aquifer begünstigt wird. Im Vorfeld dieser Arbeit hat die Auswertung der zur Schadstoffbelastung der Oder vorliegenden Literatur gezeigt, dass sich die wenigen Untersuchungen vor allem mit dem Auftreten sogenannter persistenter organischer Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane und Chlorpestizide beschäftigten. Umweltchemikalien wie Antioxidantien, Phosphorsäureester und Xenoöstrogene, die unter aeroben Bedingungen gut biologisch abgebaut werden, treten oft in den Hintergrund der Betrachtung, da von einer vollständigen Eliminierung dieser Substanzen ausgegangen wird. Diese Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, werden in so hohen Mengen produziert und eingesetzt, dass die Abbaukapazität in Böden und Gewässern häufig überschritten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine empfindliche Messmethode zur Bestimmung von mittelpolaren organischen Umweltkontaminanten aus matrixreichen Wasser- und Abwasserproben im unteren Nanogramm/Liter-Bereich entwickelt. Die Analysenmethode basierte auf der Extraktion der Wasserproben mittels Festphasenextraktion (SPE) sowie dem hochempfindlichen Nachweis der Analyten mittels Kapillargaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MS). Damit konnten zahlreiche Verbindungen mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand im Routinebetrieb mit Wiederfindungsraten von 68 bis 95 % in den Wasserproben identifiziert und quantifiziert werden. Die Bestimmungsgrenzen für die einzelnen Verbindungen lagen zwischen 3-53 ng/l. Insgesamt sind in diesem Projekt von März 1999 bis Juli 2001 sechs Beprobungskampagnen im halbjährlichen Rhythmus durchgeführt worden. Zur Beprobung standen die im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes von Mitarbeitern der FU Berlin sowie des ZALF in Müncheberg im Oderbruch installierten Grundwassermessstellen der Transsekten Bahnbrücke und Nieschen zu Verfügung. Im Bereich der Transsekte Bahnbrücke ist der ,,Auelehm" weit verbreitet, allerdings mit lokal variierenden Mächtigkeiten. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt die Mächtigkeit dieser Deckschicht ab, bis sie in einer Entfernung von ca. 5000 m überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Vereinzelt sind den überwiegend sandig bis kiesigen Sedimentfolgen, die den Aquifer im Bereich der Transsekte Bahnbrücke überwiegend aufbauen, in unmittelbarer Nähe der Oder geringmächtige Tonlagen zwischengeschaltet. Dadurch wird der Aquifer in flussnähe in zwei Teilbereiche gegliedert. Der untere Teilbereich steht im direkten hydraulischen Kontakt zur Oder und wird so maßgeblich durch das Uferfiltrat beeinflusst. Im Hangenden dieses grundwasserleitenden Horizontes folgt ein zweiter Teilbereich, der durch eine stauende Tonschicht an der Basis hydraulisch von der Oder getrennt ist und so überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser sowie vom Oderwasser bei Überschwemmungen geprägt wird. Im Bereich der Transsekte Nieschen besteht der Grundwasserleiter ausschließlich aus sandig-kiesigen Sedimentfolgen. Außerdem fehlt hier der Auelehm und damit eine den Aquifer schützende Deckschicht. Daher ist im Bereich der Transsekte Nieschen der Einfluss von infiltrierendem Niederschlagswasser auf den Grundwasserchemismus besonders stark ausgeprägt, da dieses ungehindert in den Aquifer eindringen kann. Parallel zu jeder Grundwasserprobennahme wurde an ausgewählten Standorten in Deutschland eine Beprobung verschiedener Oberflächengewässer durchgeführt sowie Dachablaufproben gesammelt. Bei der letzten Beprobungskampagne wurden im Oderbruch eine Niederschlagsprobe sowie zwei Dachablaufproben genommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurden Zu- und Abläufe der Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma sowie dreier kommunaler Kläranlagen in der Umgebung des Oderbruchs beprobt. Sämtliche beprobten Kläranlagen leiten ihre geklärten Abwässer in die Oder. Folgende organische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert und in drei Gruppen eingeteilt: Die Gruppe der Antioxidantien mit den Vertretern 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxytoluol (BHT), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzaldehyd (BHT-CHO) und 1,2-Bis(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxy-phenyl)ethan (2-BHT), die Gruppe der Phosphorsäureester mit den Vertretern Tributylphosphat (TBP), Tris(2-chloroethyl)phosphat (TCEP) und Tris(2- butoxyethyl)phosphat (TBEP) sowie die Gruppe der Xenoöstrogene mit den Vertretern 2,2- Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) und 4-Nonylphenol (4-NP). Die organischen Verbindungen BHT, TBP, TCEP, TBEP und BPA sind weltweit eingesetzte, industriell hergestellte Chemikalien. 4-NP ist ein Abbauprodukt nichtionischer Tenside (Nonylphenolpolyethoxylate = NPnEO), die als Detergentien in Waschmitteln eingesetzt werden. Bei der Verbindung BHT-CHO handelt es sich um ein Abbauprodukt des Antioxidationsmittels BHT und bei 2-BHT um ein Dimeres von BHT. Sämtliche organische Umweltchemikalien und Metabolite konnten in kommunalen und industriellen geklärten und ungeklärten Abwässern, im Niederschlag und im Dachablauf, in Oberflächengewässern sowie im Grundwasser nachgewiesen werden. Abwasser: In den kommunalen Zuläufen betrug die mittlere BHT-Konzentration 392 ng/l und in den Abläufen 132 ng/l. Für BHT-CHO lag die mittlere Konzentration in den kommunalen Zuläufen bei 113 ng/l und in den Abläufen bei 70 ng/l. Auch die drei Phosphorsäureester wurden in allen untersuchten kommunalen Zuläufen mit mittleren Konzentrationen von 15404 ng/l für TBP, 986 ng/l für TCEP und 12835 ng/l für TBEP nachgewiesen. Die Durchschnittskonzentration in den Abläufen der drei kommunalen Kläranlagen lag bei 622 ng/l für TBP, 352 ng/l für TCEP und 2955 ng/l für TBEP. Das Xenoöstrogen BPA wurde in den Zuläufen mit durchschnittlich 6579 ng/l und in den Abläufen mit 1656 ng/l bestimmt. Die Verbindung 4-NP trat hingegen nur in den Abläufen der kommunalen Kläranlagen mit durchschnittlich 385 ng/l auf. Die Konzentrationen von BHT, TBP, TCEP und TBEP im Zulauf der betriebseigenen Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma bei Eisenhüttenstadt waren durchweg geringer als die mittleren Konzentrationen dieser Stoffe in den Zulaufproben der kommunalen Kläranlagen. Diese Industriechemikalien finden vor allem in Haushaltsprodukten Verwendung und werden so hauptsächlich durch die Abwassereinleitungen kommunaler Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingetragen. Im Gegensatz dazu wurden im Abwasser der industriellen Kläranlage die höchsten Konzentrationen für die beiden Xenoöstrogene BPA und 4-NP festgestellt, da diese Stoffe bei der Metallverarbeitung als Zusatzstoff bzw. als Reinigungsmittel eingesetzt werden. Sämtliche hier zur Diskussion stehenden Verbindungen, mit Ausnahme von 4-NP, wurden durch den Klärprozess mit Raten von 29,1-96,0 % eliminiert. Die Substanzen TBP und TBEP, die in höheren Konzentrationen von mehreren Mikrogramm/l im ungeklärten Abwasser enthalten waren, wurden effektiver durch den Klärprozess eliminiert, als dies bei Substanzen mit geringeren Konzentrationen wie BHT und TCEP der Fall war. Eine besondere Stellung im Eliminierungsprozess in den Kläranlagen nimmt 4-NP ein. Diese endokrin wirksame Substanz konnte ausschließlich in den Ablaufproben der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass sie erst während des Klärprozesses durch biologischen Abbau von NPnEO gebildet wird. Da allerdings kommunale Kläranlagen neben Abwasser auch einen großen Anteil an Oberflächenabfluss und damit Niederschlagswasser aufnehmen, stellt sich an dieser Stelle die Frage, warum 4-NP in den Zulaufproben nicht oberhalb der Nachweisgrenze nachgewiesen werden konnte. Niederschlag- und Dachablauf enthielten immerhin durchschnittlich 942 ng/l 4-NP. Hier besteht weiterhin Klärungsbedarf. Das Auftreten aller Substanzen in sämtlichen Ablaufproben zeigt, dass die Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Flüsse eindeutig eine Eintragsquelle für das gesamte untersuchte Stoffspektrum in die aquatische Umwelt darstellen. Ein weiterer Schadstoffeintrag ist durch die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Nutzflächen gegeben. Aufgrund der hohen Werte der Octanol/Wasserverteilungskoeffizienten (logPOW) der hier untersuchten Verbindungen muss eine Adsorption der Substanzen an Klärschlamm und ein damit verbundener Eintrag ins Grundwasser durch Remobilisierungserscheinungen ebenfalls als Eintragsquelle in Betracht gezogen werden. Generell gingen in den letzten Jahren die Mengen an BHT, die über die Einleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer gelangen, zurück. Vor fast 30 Jahren gelangte in den USA vereinzelt noch ungefähr die 100fache Menge der Substanz über Abwassereinleitungen in die Vorfluter. Für TBP, TCEP und TBEP war im geklärten Abwasser deutscher Kläranlagen in den letzten 20 Jahren ebenfalls eine Konzentrationsabnahme zu beobachten. Der Grund hierfür liegt in der Ausweitung des Kläranlagennetzes sowie in der Verbesserung vorhandener Abwasserreinigungsanlagen (vor allem in den neuen Bundesländern). Dagegen ist die BPA-Konzentration im geklärten Abwasser in der Bundesrepublik Deutschland in den letzten drei Jahren geringfügig gestiegen, was auf die steigenden Produktionszahlen dieser Massenchemikalie zurückgeführt werden kann. Für 4-NP wurde in der BRD in den letzten fünf Jahren ein leichter Konzentrationsrückgang im geklärten Abwasser beobachtet. Dies kann damit in Zusammenhang gebracht werden, dass die deutsche Wasch- und Reinigungsmittelindustrie im Jahr 1986 eine freiwillige Verzichterklärung bezüglich des Einsatzes von NPnEO abgegeben hat. Durch den geringeren Einsatz dieser nichtionischen Tenside in den Produkten gelangen weniger NPnEO mit dem Abwasser in die Kläranlagen. Folglich wird im Verlauf der Abwasserbehandlung auch weniger 4-NP durch biologischen Abbau gebildet. Trotz dieser Verzichterklärung kann 4-NP dennoch bis heute in deutschen Kläranlagenabläufen nachgewiesen werden. Im internationalen Vergleich mit Österreich, Italien, England, Schottland, Schweiz, Kanada und den USA sind die 4-NP-Konzentrationen im geklärten Abwasser in Deutschland allerdings relativ gering. Niederschlag und Dachablauf Alle ausgewählten Verbindungen konnten sowohl in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch als auch in den Dachablaufproben nachgewiesen werden. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie Dampfdruck und Henry-Konstante ist die Voraussetzung für einen Eintrag in die Atmosphäre für alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Substanzen generell gegeben. BHT und BHT-CHO konnten mit durchschnittlich 510 ng/l bzw. 171 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden (n=5). Der Maximalwert für BHT lag dabei bei 1797 ng/l in einer Dachablaufprobe und für BHT-CHO bei 474 ng/l in der Niederschlagsprobe. Die mittlere Konzentration der Phosphorsäureester in den untersuchten Niederschlags- und Dachablaufproben lag bei 951 ng/l für TBP, bei 151 ng/l für TCEP und bei 338 ng/l für TBEP. Dabei erreichte TBP ein Maximum von 1344 ng/l, TCEP von 327 ng/l und TBEP von 448 ng/l (die Maximalwerte der Phosphorsäureester wurden jeweils in einer Dachablaufprobe bestimmt). 4-NP wurde mit einer mittleren Konzentration von 942 ng/l im Niederschlag- und Dachablauf gemessen. Das 4-NP- Maximum lag bei 1231 ng/l (Dachablauf). BPA konnte mit durchschnittlich 1251 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden. Die maximale BPA-Konzentration lag dabei bei 4085 ng/l in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch. Die hohen Konzentrationen von BPA im Regen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht erklärt werden. Die Verbindung besitzt einen sehr niedrigen Dampfdruck (0,000005 Pa bei 25°C), der nicht ausreicht, um solch hohe Konzentrationen in der Atmosphäre hervorzurufen. Eine Verunreinigung der Regenwasserproben bei der Probennahme ist hier als Grund für die hohen BPA-Konzentrationen in Betracht zu ziehen und durch die Analyse weiterer Niederschlags- und Dachablaufproben zu überprüfen. Die Substanzen BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP waren im Vergleich zum geklärten Abwasser in höheren Konzentrationen in Niederschlag und Dachablauf enthalten. Diese Stoffe werden somit verstärkt über die Atmosphäre mit den Niederschlägen in die Umwelt eingetragen. Hier besteht Klärungsbedarf bezüglich dessen, dass 4-NP zwar im Regenwasser nicht aber in den Zuläufen der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden konnte. Die mittleren Regenwasserkonzentrationen von BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP lagen ebenfalls über den mittleren Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser. Zwei der Dachablaufproben stammten aus dem Rhein-Main Gebiet. In solchen Ballungszentren sind häufig höhere Gehalte an organischen Umweltchemikalien im Regenwasser enthalten als in ländlichen Gebieten, was einen Anstieg der Durchschnittskonzentration in sämtlichen Regenwasserproben zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich Verbindungen wie 4-NP, die einen hohen Dampfdruck aufweisen, relativ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen und so auch in Gebiete gelangen, die nicht durch hohe Schadstoffemissionen gekennzeichnet sind. Dies hat ebenfalls relativ hohe Konzentrationen im Regenwasser zur Folge. Ein dritter Grund für die höheren Konzentrationen im Regenwasser im Vergleich zum Oberflächen- und Grundwasser könnte die Adsorption organischer Umweltchemikalien mit hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten an Sedimentpartikel, Schwebstoffe und/oder organische Substanz in Fluss und Aquifer sein. Die mittleren Konzentrationen der beiden Phosphorsäureester TCEP, TBEP und BPA waren im Vergleich zum geklärten Abwasser der kommunalen Kläranlagen im Regenwasser deutlich niedriger. Der Eintrag über die Atmosphäre ist folglich für diese Verbindungen von geringerer Bedeutung. Am Beispiel des Phosphorsäureester TBEP konnte dennoch demonstriert werden, dass der atmosphärische Eintrag organischer Verbindungen mit relativ geringen Dampfdrücken nicht zu vernachlässigen ist, da solche Substanzen die Tendenz zeigen, an Aerosolpartikel zu adsorbieren und mit dem Aerosol transportiert zu werden. Oberflächenwasser Die untersuchten Umweltchemikalien konnten in fast allen Wasserproben aus den untersuchten Oberflächengewässern mit zum Teil erheblichen Konzentrationsschwankungen nachgewiesen werden. Für BHT lagen die Konzentrationen in den Oberflächengewässern zwischen Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<1 ng/l) und 1594 ng/l. Der Metabolit BHT- CHO wies dagegen mit einem Konzentrationsbereich von Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<5 ng/l) bis 236 ng/l durchweg geringere Konzentrationen in den Oberflächenwasserproben auf. Der Mittelwert lag für BHT bei 233 ng/l und für BHT-CHO bei 89 ng/l (n = 47). Die Konzentrationen der Phosphorsäureester TBP, TCEP und TBEP in den untersuchten Oberflächenwasserproben schwankten zwischen Gehalten unterhalb der Nachweisgrenzen (<7 ng/l für TBP, <5 ng/l für TCEP und <6 ng/l für TBEP) und 1510 ng/l für TBP. Dabei wiesen TBP und TBEP mit Mittelwerten von 481 bzw. 465 ng/l die höchsten Konzentrationen in den untersuchten Oberflächengewässern auf. Der Mittelwert der Substanz TCEP in allen untersuchten Oberflächenwasserproben lag dagegen nur bei 165 ng/l. Die Konzentrationen der Xenoöstrogene BPA und 4-NP reichten bis maximal 1672 bzw. 1220 ng/l. Die Nachweisgrenze für BPA lag bei 10 ng/l und für 4-NP bei 6 ng/l. 4-NP trug mit einem Mittelwert von 464 ng/l am meisten von allen untersuchten Verbindungen zur Gewässerverunreinigung bei. Der Mittelwert für BPA in den Oberflächengewässern lag bei 351 ng/l. In den hier untersuchten Flüssen in der BRD war die maximale BHT-Konzentration (1594 ng/l) um das 10fache geringer als die maximale BHT-Konzentration, die noch vor 30 Jahren in deutschen Oberflächengewässern gemessen wurde (14000 ng/l). Im Vergleich zu BHT- Gehalten in japanischen (1980) und amerikanischen (1975) Oberflächengewässern lagen die aktuellen BHT-Gehalte in deutschen Flüssen deutlich darunter. Die Konzentrationen für TBP und TCEP in deutschen Oberflächengewässern sind in der Vergangenheit ebenfalls deutlich zurückgegangen. Im internationalen Vergleich liegt die BRD in Bezug auf TBP-Gehalte in Oberflächengewässern mit an der Spitze. In der Elbe konnte für die Substanz TBEP in den letzten 15 Jahren ein leichter Konzentrationsanstieg beobachtet werden. Die TBEP- Konzentration in deutschen Oberflächengewässern ist im Vergleich zu Gehalten in japanischen und amerikanischen Flüssen sowie im Trinkwasser aus Kanada gering. Der BPA- Gehalt im Rhein ist in den letzten 10 Jahren geringfügig angestiegen. Im Vergleich mit Japan und Tschechien liegen die BPA-Konzentrationen in deutschen Flüssen innerhalb von Ballungsgebieten auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Konzentrationsentwicklung des Xenoöstrogens 4-NP war seit 1986 in deutschen Oberflächengewässern stark rückläufig, was mit der freiwilligen Verzichterklärung in diesem Jahr zusammenhängt. Trotzdem tritt 4-NP auch heute noch in Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich in deutschen Flüssen auf. Die deutschen Werte lagen allerdings deutlich unterhalb der 4-NP-Konzentrationen in Oberflächengewässern der Schweiz, England, den USA und Taiwan.. Grundwasser Das Antioxidans BHT sowie sein Abbauprodukt BHT-CHO konnten in den meisten Grundwasserproben aus dem Oderbruch mit Gehalten bis zu 2156 bzw. 541 ng/l nachge- wiesen werden. Der Mittelwert für BHT im Grundwasser lag bei 353 ng/l und für BHT-CHO bei 105 ng/l (n=76). Die Verbindung 2-BHT wurde ausschließlich im Grundwasser nachgewiesen. Dies zeigt, dass die anaeroben Bedingungen im Aquifer des Oderbruchs zur Bildung des Dimeren von BHT geführt haben. Ob diese Vermutung stimmt, dass 2-BHT tatsächlich aus dem Antioxidans BHT gebildet wird, soll in naher Zukunft anhand mikrobiologischer Abbauversuche von BHT unter anaeroben Bedingungen geklärt werden. Die Gehalte der Phosphorsäureester im Grundwasser bewegten sich in Konzentrationsbereichen bis zu 1605 ng/l (TBP), bis zu 754 ng/l (TCEP) und bis zu 2010 ng/l (TBEP) mit einem Mittelwert für TBP von 276 ng/l, für TCEP von nur 80 ng/l und für TBEP von 289 ng/l. Der Maximalwert für BPA in den Grundwasserproben betrug 4557 ng/l. Der Mittelwert für diese Verbindung im Grundwasser lag bei 630 ng/l. Betrachtet man die BPA- Konzentration in den Grundwasserproben, fällt auf, dass diese sehr starken Schwankung unterliegt, die an dieser Stelle nicht erklärt werden können. Es besteht der Verdacht einer BPA-Kontamination der Grundwasserproben bei der Probennahme, da die beprobten Messstellen im Oderbruch zur Förderung des Grundwassers mit Kunststofflinern ausgestattet wurden, die eventuell BPA als Antioxidans enthalten. In Zukunft sind daher weitere Grundwasseranalysen mit einer verbesserten Probennahmetechnik notwendig, um eine Kontamination mit BPA auszuschließen. In den Grundwasserproben war das Isomerengemisch 4-NP, ebenso wie in den Oberflächenwasserproben, im Mittel mit der höchsten Konzentration vertreten (724 ng/l). Das 4-NP-Maximum lag dabei bei 2542 ng/l. Alle ausgewählten organischen Industriechemikalien konnten in den odernahen Bereichen innerhalb der Transsekte Bahnbrücke sowohl im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der nur durch infiltrierendes Oderwasser gespeist wird, als auch im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser beeinflusst wird, nachgewiesen werden. Die anthropogenen Stoffe gelangen also im Bereich der Transsekte Bahnbrücke sowohl über das Uferfiltrat als auch durch Niederschlagsinfiltration ins Grundwasser. Durch die Uferfiltration spiegelten sich die Konzentrationen der vor wenigen Tagen infiltrierten organischen Verbindungen aus dem Oderwasser direkt im Grundwasser aus odernahen Bereichen wieder. Auch weiter vom Fluss entfernt liegende Aquiferbereiche innerhalb der Transsekte Bahnbrücke wurden noch von infiltriertem Oderwasser beeinflusst. Die jahreszeitlichen Konzentrationsschwankungen demonstrieren hier jedoch die Flusskonzentrationen vor einigen Jahren, da das Oderwasser mehrere Jahre braucht, um in diese Bereiche zu gelangen. Weiterhin ist auch ein Stoffeintrag ins Grundwasser mit dem Oderwasser bei Hochwasserereignissen zu berücksichtigen. Generell nahmen die Konzentrationen der organischen Umweltchemikalien mit zunehmender Entfernung von der Oder ab, was den fehlenden Niederschlagseinfluss im Aquiferbereich der Transsekte Bahnbrücke bedingt durch die schützenden undurchlässigen Deckschichten demonstriert. Im Grundwasser, das aus dem Aquiferbereich in unmittelbarer Nähe der Entwässerungsgräben stammte, war häufig eine Konzentrationsabnahme der organischen Umweltchemikalien zu beobachten. Dies beweist den hydraulischen Zusammenhang zwischen Fluss und Entwässerungsgräben. Das infiltrierte Flusswasser steigt nach der Aquiferpassage in Grabennähe auf, was zu Verdünnungseffekten im Grundwasser verbunden mit einer Konzentrationsabnahme führt. Weiterhin wurden die ausgewählten Stoffe auch in den Grundwasserproben aus dem Aquiferbereich der Transsekte Nieschen nachgewiesen, der durch das Fehlen undurchlässiger Deckschichten gekennzeichnet ist. Da hier aufgrund der Entfernung dieser Transsekte von der Oder der hydraulische Kontakt zum Fluss stark eingeschränkt ist, sind die im Grundwasser auftretenden organischen Umweltchemikalien auf einen Eintrag mit dem infiltrierenden Niederschlagswasser zurückzuführen. Für einen Eintrag der Substanzen mit dem Niederschlagswasser spricht auch die Tatsache, dass die mittleren Konzentrationen der organischen Verbindungen in den Grundwasserproben aus der Transsekte Nieschen im Gegensatz zu denen aus der Transsekte Bahnbrücke trotz eines fehlenden hydraulischen Kontakts zur Oder erhöht waren. Die starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen können zum einen auf einen Eintrag dieser Substanzen mit dem Niederschlag zurückgeführt werden. Der Aquifer im Oderbruch ist heterogen ausgebildet, was den Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen ins Grundwasser lokal fördert oder hemmt und es dadurch zu unterschiedlichen Konzentrationen kommt. Zum anderen kann angenommen werden, dass die Konzentrationsschwankungen in diesem Aquiferbereich Folge einer Aufkonzentrierung der gelösten organischen Stoffe durch Verdunstung des oberflächennahen Grundwassers waren. Diese Annahme bestätigen die erhöhten Konzentrationen der Stoffe im Grundwasser im November 2000 und im März 2001 im Vergleich zum März 2000. Zu beiden Zeitpunkten waren die Niederschläge gering, was sich im Niedrigwasserstand der Oder wiederspiegelte. Vor allem in niederschlagsarmen Gebieten wie das Oderbruch, kann dieser Prozess der Aufkonzentrierung organischer Stoffe im Grundwasser durch Evaporation von Bedeutung sein. Die Frage, ob letztendlich der Niederschlagseintrag oder der umgekehrte Prozess, die Evaporation des Grundwassers, zu den starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen geführt hat, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Sicher ist, dass bei fehlenden undurchlässigen Deckschichten ein atmosphärische Eintrag organischer Umweltchemikalien in den Aquifer stattfindet. Auch in den Messstellen, die außerhalb der beiden Transsekten Nieschen und Bahnbrücke ca. 3000 bzw. 5000 m entfernt von der Oder liegen, konnten die organischen Verbindungen zum Teil in erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies ist zum einen wiederum mit einem Eintrag durch Niederschlagswasser und dem Transport der organischen Umweltchemikalien in größere Tiefen des Aquifers mit dem Sickerwasser zu erklären. Die undurchlässige Auelehmschicht ist in diesem Bereich nicht mehr vorhanden, so dass das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer infiltrieren kann. Ein Einfluss des Oderfiltrats in dieser Entfernung vom Fluss kann ausgeschlossen werden, da in den mittleren Bereichen des Oderbruchs 50-100 Jahre für einen vollständigen Grundwasseraustausch realistisch sind und die Produktion sämtlicher Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, zu diesen Zeiten ohne Bedeutung war. Eine Remobilisierung der organischen Umweltchemikalien aus Klärschlamm, der im Land Brandenburg noch häufig auf Agrarflächen aufgebracht wird, muss als Eintragsquelle hier ebenfalls in Betracht gezogen werden, da Stoffe mit einem hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten häufig die Tendenz zeigen, an Klärschlamm zu akkumulieren. Der photochemische Abbau des Antioxidationsmittels BHT zu seinem Metabolit BHT-CHO in der Atmosphäre war im Sommer höher als im Herbst und im Frühjahr, wobei der Metabolit selbst ebenfalls Abbauprozessen unterlag. Im Gegensatz dazu spielte der photochemische Abbau von TBP, TCEP, TBEP und 4-NP zu keinen Zeitpunkt eine große Rolle. Solange keine nennenswerten Direkteinleitungen in die Oder zu verzeichnen waren, konnte flussabwärts eine Konzentrationsabnahme für alle organischen Verbindungen festgestellt werden, welche auf aeroben Abbau der Substanzen zurückgeführt werden kann. Im Frühjahr war der Sauerstoffgehalt im Fluss mit 12,05 mg/l aufgrund der geringen Wassertemperatur (6,9 °C) und des Hochwasserereignisses am höchsten. Dies hatte höhere aerobe Abbauraten von BHT zu BHT-CHO zu diesem Zeitpunkt zur Folge. Ob es sich tatsächlich um einen biologischen Abbau der organischen Substanzen handelt oder ob Adsorptionseffekte an Schwebstoffe und Sedimente bei der Eliminierung dieser Stoffe ebenfalls eine Rolle spielen, muss anhand zukünftiger Analysen von Odersedimenten- und Schwebstoffen auf solche Substanzen geklärt werden. Der Abbau unter anaeroben Bedingungen, wie sie im Grundwasserleiter des Oderbruchs durchweg herrschen, spielte dagegen im Bezug auf alle untersuchten Verbindungen keine große Rolle, da diese in allen Tiefen des Aquifers (bis 21 m) noch nachgewiesen werden konnten. Sind sie einmal in das Grundwasser gelangt, werden sie aufgrund ihrer relativ guten Wasserlöslichkeit also leicht mit diesem in tiefere Bereiche transportiert. Sie sind damit relativ mobil. Die organischen Umweltchemikalien werden auch nicht wesentlich durch Adsorption an Sediment und/oder organischer Substanz zurückgehalten und dadurch aus dem Grundwasser eliminiert. Solche Faktoren wie ein schlechter anaerober Abbau, eine gute Wasserlöslichkeit und eine geringe Adsorption an Boden und Sediment einiger Schadstoffe müssen bei der Trinkwasserförderung aus tieferen Aquiferbereichen berücksichtigt werden. Chemikalien mit guten Wasserlöslichkeiten, wie beispielsweise die beiden Phosphorsäureester TCEP und TBEP, zeigten sogar die Tendenz sich besonders in den tieferen Aquiferbereichen anzureichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass es selbst in Gebieten wie dem Oderbruch, in denen die Grundwasserneubildung durch Niederschlag eine eher geringe Rolle spielt, durchaus zu einen nicht zu vernachlässigenden Eintrag von Stoffen durch Niederschlagswasser kommt und eine hohe Verdunstungsrate zu einer Aufkonzentrierung führt. Dies bedeutet, dass bei einer Betrachtung von hydrochemischen Prozessen in einem Grundwasserleiter, der hauptsächlich durch Uferfiltrat gespeist wird, keine einfache räumliche Struktur zugrunde gelegt werden kann. Zum lateralem Zustrom des infiltrierenden Flusswassers kommt der vertikale Einfluss des Sickerwassers. Dies muss neben Faktoren wie anaerober Abbau, Adsorption und Verdünnungseffekte bei der Interpretation des Schadstoffeintrags- und Transports im Grundwasser berücksichtigt werden.
The objective of the present doctoral thesis was to investigate the occurrence, distribution, and behaviour of six hydrophilic ethers: ethyl tert-butyl ether (ETBE), 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), and tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme) in surface-, waste-, ground- and drinking water samples. Solid phase extraction and gas chromatography/mass spectrometry were used to analyze the six hydrophilic ethers. Altogether more than 150 surface water samples, almost 100 of each groundwater and wastewater samples, and 10 raw and drinking water samples were analyzed during the research project.
Initially, the method was validated in order to simultaneously determine the analytes of interest in various aquatic environments. A solid phase extraction method that uses coconut charcoal (Resprep® activated coconut charcoal, Restek) or carbon molecular sieve material (SupelcleanTM Envi-CarbTM Plus, Supelco) for analyte absorption were found suitable for determination of ETBE, 1,4-dioxane, and glymes in surface-, drinking-, ground- and wastewater samples. Precision and accuracy of both methods was demonstrated for all analytes of interest. The recovery of target compounds from the ultrapure water spiked at 1.0 µg L−1 was between 86.8 % and 98.2 %, with relative standard deviation below 6 %. The samples spiked at 10.0 µg L−1 gave slightly higher recovery of 90.6 % to 112.2 % with a relative standard deviation below 3.4 % for each analyte. Detection and quantification limits in ultrapure water and surface waters were furthermore established. The limit of quantitation (LOQ) in ultrapure water ranged between 0.024 µg L−1 to 0.057 µg L−1 using Restek cartridges, and 0.030 µg L−1 to 0.069 µg L−1 using Supelco cartridges. In the surface water samples the calculated LOQ was 0.032 µg L−1 to 0.067µg L−1 using coconut charcoal material and 0.032 µg L−1 to 0.052 µg L−1 using the carbon molecular sieve material. Moreover, stability of the unpreserved and preserved water samples as well as the extracts was determined. Preservation of samples with sodium bisulfate (at 1 gram per Liter) resulted in much better stability of the ethers in water samples. Subsequently, 27 samples obtained from seven surface water bodies in Germany (Rivers Rhine, Lippe, Main, Oder, Rur, Schwarzbach and Wesel-Datteln Canal) were analyzed for the six hydrophilic ethers. ETBE was present in only two surface waters (Rhine River and Wesel-Datteln Canal) with concentrations close to the LOQ (up to 0.065 µg L−1). 1,4-Dioxane was detected in all of the water samples at concentrations reaching 1.93 µg L–1. Monoglyme was identified only in the Main and Rhine Rivers at the maximum concentration of 0.114 µg L–1 and 0.427 µg L–1, respectively. Very high concentrations (up to 1.73 µg L−1) of diglyme, triglyme, and tetraglyme were detected in the samples from the Oder River. These glymes were also detected in the Rhine River; however the concentrations did not exceed 0.200 µg L–1. Furthermore, tetraglyme was detected in the Main River at an average concentration of 0.409 µg L–1 (n = 6) and in one sample from the Rur River at 0.192 µg L–1.
Four sampling campaigns were conducted at the Oderbruch polder between October 2009 and May 2012, in order to study the behavior of the hydrophilic ethers and organophosphates during riverbank filtration and in the anoxic aquifer. Moreover the suitability of these target compounds was assessed for their use as groundwater organic tracers. At the time of each sampling campaign, concentrations of triglyme and tetraglyme in the Oder River were between 20–185 ng L–1 (n = 4) and 273¬–1576 ng L–1 (n = 4). Monoglyme, diglyme, and 1,4-dioxane were analyzed only during the two last sampling campaigns. At that time, the concentration of diglyme in Oder River was 65¬–94 ng L-1 (n = 2) and 1,4-dioxane 1610¬–3290 ng L–1 (n = 2). In the drainage ditch, following bank filtration, concentrations of ethers ranged between 1090 ng L–1 and 1467 ng L–1 for 1,4-dioxane, 23¬ng L–1 and 41 ng L–1 for diglyme, 37 ng L–1 and 149 ng L–1 for triglyme, and 496 ng L–1 and 1403 ng L–1 for tetraglyme. In the anoxic aquifer, 1,4-dioxane showed the greatest persistence during the groundwater passage. At the distance of 1150 m from the river and an estimated groundwater age of 41.9 years, a concentration above 200 ng L−1 was detected. A positive correlation was found for the inorganic tracer chloride (Cl−) with 1,4-dioxane and tetraglyme. Similarities in the behavior of Cl− and the organic compound suggested that 1,4-dioxane and tetraglyme are controlled by the same hydraulic process and therefore can be used as additional tracers to study the dynamics of the groundwater system. These results show that high concentrations of ethers are present in the surface water and are not removed during bank filtration processes. Moreover, the hydrophilic ethers persist in the anoxic aquifer and little or no degradation is expected, supporting, their possible application as organic tracers.
A separate sampling project was conducted for 1,4-dioxane that focused primarily on its fate in the aquatic environment. This study provided missing information on the extent of water pollution with 1,4-dioxane is Germany. Numerous waste-, surface-, ground- and drinking water samples were collected in order to determine the persistence of 1,4-dioxane in the aquatic environment. The occurrence of 1,4-dioxane was determined in wastewater samples from four municipal sewage treatment plants (STP). The influent and effluent samples were collected during weekly campaigns. The average influent concentrations in all four plants ranged from 262 ± 32 ng L−1 to 834 ± 480 ng L−1, whereas the average effluents concentrations were between 267 ± 35 ng L−1 and 62,260 ± 36,000 ng L−1. The source of increased 1,4-dioxane concentrations in one of the effluents was identified to originate from impurities in the methanol used in the postanoxic denitrification process. Spatial and temporal distribution of 1,4-dioxane in the river Main, Rhine, and Oder was also examined. Concentrations reaching 2,200 ng L−1 in the Oder River, and 860 ng L−1 in both Main and Rhine River were detected. The average load during the sampling was estimated to be 6.5 kg d−1 in the Main, 34.1 kg d−1 in the Oder, and 134.5 kg d−1 in the Rhine River. In all of the sampled rivers, concentrations of 1,4-dioxane increased with distance from the mouth of the river and were found to negatively correlate with the discharge of the river. In order to determine if 1,4-dioxane can reach drinking water supplies, samples from a Rhine River bank filtration site and potable water from two drinking water production facilities were analyzed for the presence of 1,4-dioxane in the raw water and finished potable water. The raw water (following bank filtration) contained 650 ng L−1 to 670 ng L−1 of 1,4-dioxane, whereas the concentration in the finished drinking water fell only to 600 ng L−1 and 490 ng L−1, respectively.
During the final project, investigations of the source identification of high glyme concentrations in the Oder River were carried out. During four sampling campaigns between January, 2012 and April, 2013, 50 samples from the Oder River in the Oderbruch region and Poland were collected. During the first two samplings in the Oderbruch polder, glymes were detected at concentration reaching 0.07 µg L-1 (diglyme), 0.54 µg L−1 (triglyme) and 1.73 µg L−1 (tetraglyme) in the Oder River. The extensive sampling campaign of the Oder River (about 500 km) in Poland helped to identify the area of possible glyme entry into the river. During that sampling the maximum concentrations of triglyme and tetraglyme were 0.46 µg L−1 and 2.21 µg L−1, respectively. A closer investigation of the identified area of pollution, helped to determine the possible sources of glymes in the Oder River. Hence, the final sampling focused on the Kaczawa River, a left tributary of the Oder River and Czarna Woda, a left tributary of Kaczawa River. Moreover, samples from an industrial wastewater treatment plant were collected. Samples from Czarna Woda stream and Kaczawa River contained even higher concentrations of diglyme, triglyme, and tetraglyme, reaching 5.18 µg L−1, 12.87 µg L−1 and 80.81 µg L−1, respectively. Finally, three water samples from a wastewater treatment plant receiving influents from a copper smelter were analyzed. Diglyme, triglyme, and tetraglyme were present at an average concentration of 569 µg L−1, 4300 µg L−1, and 65900 µg L−1, respectively in the wastewater. Further research helped to identify the source of the glymes in the wastewater. The gas desulfurization process – Solinox implemented in the nearby copper smelter uses glymes as physical absorption medium for sulfur dioxide.
Results of this doctoral research provide important information about the occurrence, distribution, and behavior of hydrophilic ethers: 1,4-dioxane, monoglyme, diglyme, triglyme, and tetraglyme in the aquatic environment. A method capable of analyzing a wide range of ether compounds: from a volatile ETBE to a high molecular weight tetraglyme was validated. 1,4-Dioxane and tetraglyme were found to be applicable as organic tracers, since they are not easily attenuated during bank filtration and the anoxic groundwater passage. The extent of water pollution with 1,4-dioxane was shown in waste-, surface-, ground-, and drinking waters. One source of extremely high concentrations of 1,4-dioxane in a municipal sewage treatment plant applying postanoxic denitrification was identified, however more information is needed on the entry of 1,4-dioxane into surface waters. Moreover, 1,4-dioxane was present in drinking water samples from river bank filtration, which demonstrates its persistence in the aquatic environment and its low degradation potential during bank filtration and subsequent water treatment. Furthermore, this was the first study that focused primarily on identifying sources of glymes in surface waters. Glymes find a widespread use in industrial sectors, hence establishing their origin in the surface water is difficult (as with 1,4-dioxane). In this work, a gas desulphurization process was identified to be a dominating source of glyme pollution in the Oder River.
Background. There is growing public and scientific concern about the occurrence of anthropogenic chemicals in the aquatic environment. Surface and groundwater serve as main drinking water resource. Especially in metropolitan areas these water reservoirs are impacted by organic pollutants predominantly originating from wastewater treatment plant (WWTP) effluents. The impact of wastewater derived anthropogenic chemicals is therefore related to environmental and human health concerns. In order to lower the potential environmental and human health risk from wastewater associated pollutants, strategies for enhanced pollutant removal are applicable in a medium-term perspective. Ozonation and powdered activated carbon treatment are the two advanced wastewater treatment technologies, which are technically mature as well as economically feasible for the application in large-scale wastewater treatment plants. While powdered activated carbon removes substances by adsorption, ozonation degrades a parent compound into oxidation products. Most of the available research has been done at lab-scale while onsite ecotoxicity tests and chemical analyses are rare.
Objectives. For a comparative evaluation of advanced wastewater treatments' potential to alter toxicity, a broad spectrum of ecotoxicological data need to be collected. The focus has been set on three major objectives: A) Evaluation of the endocrine activity; B) Evaluation of the unspecific toxicity; C) Evaluation of genotoxicity and mutagenicity.
Methods. The advanced treatment methods, ozonation and powdered activated carbon treatment of secondary wastewater effluents, – each equipped with subsequent sand filtration as additional post treatment step – were ecotoxico-logically characterized at a pilot-scale WWTP. For process control the elimination of 35 selected pharmaceuticals was identified by chemical analyses using HPLC-MS/MS.
The endocrine activity ((anti-)estrogenic, (anti-)androgenic, dioxin-like activity)) was characterized by yeast-based in vitro bioassays and cytotoxicity by cell based assays. Genotoxicity and mutagenicity was assessed using umuC'assay and Ames assay, respectively. All in vitro assays were performed using extracts of the wastewater samples. In vivo toxicity was assessed with the fish early life stage test with rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Ozonation was additionally assessed at a full-scale WWTP with in-vitro tests on endocrine activity and cytotoxicity and in vivo toxicity tests using five aquatic model organisms: Lemna minor, Daphnia magna, Chironomus riparius, Lumbriculus variegatus, Potamopyrgus antipodarum.
Results. In conventional activated sludge treated effluents the residual estrogenicity, antiandrogenicity, aryl hydrocarbon receptor agonistic activity and cytotoxicity were considerably reduced while antiestrogenicity was increased by both advanced treatment technologies. Ozonation led to an increase in genotoxic effects detected with Ames assay and with single cell gel electrophoresis of rainbow trout erythrocytes. Furthermore, mortality of rainbow trout was increased and reproduction of L. variegatus was decreased. Sand filtration lessened the genotoxic effects and adjusted reproduction of L. variegatus and mortality of rainbow trout to a similar level as conventional treatment.
Conclusions. This work demonstrates that conventional activated sludge treatment induces in vitro and in vivo toxicity. Advanced wastewater treatment combined with subsequent sand filtration can reduce in vitro and in vivo toxicity. An observed increase of endocrine activity after advanced wastewater treatment is an indication for different removal efficiencies of chemicals causing agonistic or antagonistic activity, respectively. Ozonation of wastewater generates ecotoxicity, which is largely removed by subsequent sand filtration. After a comprehensive investigation and after assurance of the removal of adverse effects, advanced treatment technologies could have beneficial effects on the ecological quality of the receiving water.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorph is present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of organic matter (δ13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Relatively less saline environments are observed in the middle part profile. Fungal remains are generally present only in middle part of the profile with distinct peak of abundances. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to the epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted δ13C and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during deposition of the middle part of the profile according to the higher abundance of isorenieratene derivatives of green sulfur bacteria origin. The warmer climate affected also to increase of water supply and thus less saline environments.
Tectonic subsidence is also thought to be a significant factor for the development of the Kiliran lake. The Zr/Rb ratio, an indicator for grain size, ranges from 0.4 to 1.3 and generally increases upwards along the profile. Three sudden decreases of the ratio are observed, indicating rapid change to finer grain size. These decreases are interpreted to indicate rapid deepening events of the lake due to mainly periodic subsidence. During deposition of lower part of the profile, the subsidence rates might have been relatively higher than sediment and water supply rates, resulting in a higher autochtonous fraction in the oil shale. During deposition of middle part of the profile, the sediment and water supply rates were relatively higher promoting distinct progradational sedimentation. Subsequently, the lake became more shallow and smaller during deposition of the upper part of the profile, leading to a relatively higher terrigenous input to the oil shale.
Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The δ13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone.
4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in uppermost and lower parts of the profile. Ca accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane homologues along the profile. This suggests that the 4-methylsteranes were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom.
The 4-methylsterane homologues are considered to originate from Dinoflagellates. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in Paleogene lake systems due to water chemistry changes are known from previous studies. Moreover, freshwater Dinoflagellates have been frequently reported to occur in the basin depocenters. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane homologues along the studied oil shale profile suggest that the 4-methylsterane homologues were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.
The purpose of this study was to reconstruct the depositional environment, the genesis and the composition of Miocene coals in the Kutai Basin, East Kalimantan, Indonesia and to improve our understanding of the factors controlling the organic and inorganic composition, variation of biomarkers, and the peat forming vegetation of the coals. To achieve the aim methods belonging to three different disciplines were applied: 1. Coal petrology (chapter 3) 2. Inorganic geochemistry: sulfur, pyrite and mineral matter distributions (chapter 4) 3. Organic geochemistry of saturated, aromatic hydrocarbon fractions and stable carbon isotopic composition (chapter 5 and 6) Coal petrology Coal developes from peat deposited in mires, mainly in swamps and raised bogs. It is therefore necessary to consider how peat was formed in the past. Coal contains a variety of plant tissues in different degrees of preservation. Tissues of distinct origin are microscopically identifiable and can frequently be related to certain parts of the plant, such as cuticles, woody structures, spores, algal, resin, etc. Together with the particles of less certain origin they are termed macerals which are the petrographic components of coal. During and after deposition of plant remains in sedimentary basins, the organic matter will undergo a sequence of physical, biochemical and chemical changes, which finally results in the formation of coals of increasing rank depending mainly on the temperature influence. The process of coalification begins with practically unaltered plant material and peat, and continues with increasing rank through brown coal, bituminous coal, and finally to anthracite as well as graphite. Coal petrography provides valuable of data of maceral and mineral percentages with reflectance values, which can be used to reconstruct the depositional environment and the coalification processes. In lower rank coals, the material is represented by a group of macerals called huminite, and in bituminous and anthracite coals by a group of macerals called vitrinite. Coal petrography analyses have been carried out on samples from some Miocene coal seams from Kutai Basin. The study has shown that huminite reflectance values of coal samples from ...
The Late Cretaceous is known to be mostly affected by warm periods interrupted temporarily by a number of cooling events. The reconstruction of the paleoclimatic conditions during a period of high concentration of CO2 in the atmosphere is of great importance for the creation of future climate models. We applied the recently developed method reconstructing the SST from the TEX86 (TetraEther indeX of tetraethers consisting of 86 carbon atoms).
The sample material used for the present study was obtained from the tropical Late Cretaceous southern Tethys upwelling system (Negev/Israel), lasting from the Late Santonian to the Early Maastrichtian (~ 85 to 68 Ma). On the core samples from the Shefela basin, representing the outer belt of the upwelling system and the outcrop profile from the open mine Mishor Rotem (Efe Syncline), representing the inner belt, various bulk geochemical and biomarker studies were performed in this thesis.
Derived from TEX86 data, a significant long-term SST cooling trend from 36.0 to 29.3 °C is recognized during the Late Santonian and the Early Campanian in the southern Tethys margin. This is consistent with the opening and deepening of the Equatorial Atlantic Gateway (EAG) and the intrusion of cooler deep water from the southern Atlantic Ocean influencing the global SSTs and also the Tethys Ocean. Furthermore, the cooler near shore SST usually found in modern upwelling systems could be verified in case of the ancient upwelling system investigated in the present study. The calculated mean SST in the inner belt (27.7 °C) represented in the Efe Syncline was 1.5 °C cooler in comparison to the more seaward located outer belt (Shefela basin).
Moreover, geochemical and biomarker analyses were used to identify both the accumulation of high amounts of phosphate in the PM and good preservation of organic matter (OM) in the lower part of the OSM section. Total organic carbon (TOC) contents are highly variable over the whole profile reaching from 0.6 % in the MM, to 24.5 % in the OSM. Total iron (TFe) varies from 0.1 % in the PM to 3.3 % in the OSM and total sulfur (TS) varies between 0.1 % in the MM and 3.4 % in the OSM. Different correlations of TS, TOC and TFe were used to identify the conditions during the deposition of the different facies types. Natural sulfurization was found to play a key role in the preservation of the OM particularly in the lower part of the OSM. Samples from the OSM and the PM were deposited under dysoxic to anoxic conditions and iron limitation lasted during the deposition of the OSM and the PM, which effected the incorporation of sulfur into OM.
Phosphorus is highly accumulated in the sediments of the PM with a mean proportion of 11.5 % total phosphorus (TP), which is drastically reduced to a mean value of 0.9 % in the OSM and the MM. From the correlation of the bulk geochemical parameters TOC/TOCOR ratio and TP a major contribution of sulfate reducing bacteria to the phosphate deposition is concluded. This interrelation has previously been investigated in recent coastal upwelling systems off Peru, Chile, California and Namibia. This was further supported by the analysis of branched and monounsaturated fatty acids indicating the occurrence of sulfate reducing and sulfide oxidizing bacteria during the deposition.
According to the results from the analysis of n-alkanes and C27- to C29-steranes up to 95 % of the OM was of marine origin.
Organic sulfur compounds (OSC) were a major compound class in the aromatic hydrocarbon fraction and n-Alkyl and isoprenoid thiophenes were the most abundant, with highest amounts found for 2-methyl-5-tridecyl-thiophene (28 µg/g TOC). The relatively high abundance of ββ-C35 hopanoid thiophenes and epithiosteranes is equivalent to an incorporation of sulfur during the early stages of diagenesis.
Moreover, the geochemical parameters δ13Corg, δ15Norg, C/N and the pristane/phytane (Pr/Ph) ratio, were studied for reconstruction of seafloor and water column depositional environments. The high C/N ratio along with relatively low values of δ15Norg (4 ‰ to 6 ‰) and δ13Corg (-29 ‰ to -28 ‰) are consistent with a significant preferential loss of nitrogen-rich organic compounds during diagenesis. Oxygen-depleted conditions lasted during the deposition of the PM and the bottom of the OSM, reflected by the low Pr/Ph ratio of 0.11–0.7. In the upper part of the OSM and the MM the conditions changed from anoxic to dysoxic or oxic conditions. This environmental trend is consistent with co-occurring foraminiferal assemblages in the studied succession and implies that the benthic species in the Negev sequence were adapted to persistent minimum oxygen conditions by performing complete denitrification as recently found in many modern benthic foraminifera.
Furthermore, the anammox process could have influenced the nitrogen composition of the sediments. In this anaerobically process nitrite and ammonia are converted to molecular nitrogen.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. The oil shale core represents the deposition time of about 240.000 years. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorphs are present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in the middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of bulk organic matter (13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in the middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Slightly less saline environments are observed in the middle part of the profile. Fungal remains are generally present only in this part with a distinct peak of abundance. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of the middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted 13C values and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during the deposition according to the higher abundance of total isorenieratane and its derivatives originated from green sulfur bacteria dwelling in the photic zone euxinia. The warmer climate is also thought to influence the slightly decrease of water salinity during deposition of the middle part of the profile. The occurrence of B. braunii in Kiliran lake is also recognized from organic geochemical data. The distribution of n-alkanes is characterized by the unusual high amount of C27 n-alkane relative to the other long-chain n-alkanes. The concentrations of C27 n-alkane vary from 30.1 to 393.7 μg/g TOC and are generally in parallel with the abundances of B. braunii palynomorphs along the profile. The 13C values of this compound are about -31‰ and up to 2‰ enriched relative to those of the adjacent long-chain n-alkanes. B. braunii race A can thus be regarded as the significant biological source of the C27 n-alkane. Lower amounts of lycopane are observed in many oil shale samples (0 to 54.7 μg/g TOC). The 13C value of this compound is 17.2‰. This strong enrichment of 13C suggests that the lycopane was derived from B. braunii race L. The concentrations of lycopane develop generally in opposite with those of C27 μalkane. It is likely that both B. braunii races bloomed in alternation in the lake, probably due to changes on specific water chemistry. Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The 13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone. 4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in the uppermost and lower parts of the profile. Calcium (Ca) accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the profile. This suggests that these compounds were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in the middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in ancient lacustrine environments due to water chemistry changes have been known from previous studies. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the studied oil shale profile suggest a hypothesis that these compounds were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.