TY  - THES
A1  - Gaab, Simone
T1  - Anaerobic biodegradation of aromatic hydrocarbons in groundwater
T1  - Biologischer Abbau von aromatischen Kohlenwasserstoffen in der gesättigten Zone unter anaeroben Bedingungen
N2  - The crude oil constituents benzene, toluene, ethylbenzene, and the three xylene isomers (BTEX) are the dominating groundwater contaminants originating from surface spill accidents by oil production facilities and with gasoline and jet fuel. Thereby BTEX posing a threat to the world´s scarce drinking water resources due to their water solubility and toxicity. An active remediation cleanup involving a BTEX event proves not only to be very expensive but almost impossible when it comes to the complete removal of contaminants from the subsurface. A favoured and common practice is combining an active remediation process focussing on the source of contamination coupled together with the monitoring of the residual contamination in the subsurface (monitored natural attenuation; MNA). MNA include all naturally occuring biological, chemical and physical processes in the subsurface. The general goal of this work was to improve the knowledge of biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in groundwater. For this groundwater and soil at the former military underground storage tank (UST) site Schäferhof – Süd near Nienburg/Weser (Niedersachsen, Germany) were sampled and analysed. The investigations were done in collaboration of the Umweltbundesamt, the universitys of Frankfurt and Bremen and the alphacon GmbH Ganderkesee. To investigate the extent of groundwater contamination, the terminal electron acceptor processes (TEAPs) and the metabolites of BTEX degradation in groundwater, six observation wells were sampled at regular intervals between January 2002 and September 2004. The wells were positioned in order to cover the upstream, the source area and the downstream of the presumed contamination source. Additionally, vertical sediment profiles were sampled and investigated with respect to spreading and concentration of BTEX in the subsurface. A large residual contamination involving BTEX is present in soil and groundwater at the studied locality. Maximum BTEX concentration values of 17 mg/kg were recorded in analysing sediment in the unsaturated zone. In the capillary fringe, values of 450 mg/kg were recorded (October 2004) and in the saturated zone maximum values of 6.7 mg/kg BTEX were detected. The groundwater samples indicate increasing BTEX concentrations in the groundwater flow direction (from 532 µg/l up to 3300 µg/l (mean values)). Biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in the sub surface at contaminated sites is characterised by generation of metabolites. From the monoaromatic hydrocarbons BTEX metabolites such as benzoic acid (BA) and the methylated homologs and C1-and C2-benzyl-succinic acids (BSA) are generated as intermediates. A solid-phase extraction method based on octadecyl-bonded silica sorbent has been developed to concentrate such metabolite compounds from water samples followed by derivatization and gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) of the extracts. The recovery rate range between 75 and 97%. The method detection limit was 0.8 µg/l. Organic acids were identified as metabolic by-products of biodegradation. Benzoic acid, C1-, C2- and C3-benzoic acid were determined in all contaminated wells with considerable concentrations. Furthermore, the depletion of the dominant terminal electron acceptors (TEAs) oxygen, nitrate, and sulphate and the production of dissolved ferrous iron and methane in groundwater indicate biological mediated processes in the plume evidently proving the occurrence of NA. A large overlap of different redox zones at the studied part of the plume has been observed. A important finding in this study is the strong influence of groundwater level fluctuations on the BTEX concentration in groundwater. A very dry summer in 2003 was recorded during the monitoring period, resulting on site in a drop of the groundwater level to 1.7 m and a concomitant increase of BTEX concentrations from 240 µg/l to 1300 µg/l. The groundwater level fluctuations, natural degradation and retention processes essentially influence BTEX concentrations in the groundwater. Groundwater level fluctuations have by far a stronger influence than the influence of biological degradation. Increasing BTEX concentrations are hence not a consequence of limited biological degradation. Another part of the study was to observe the isotopic fractionation of the electron acceptor Fe(III), due to biologically mediated reduction of Fe(III) to the watersoluble Fe(II) at the site and first field data are presented. Both groundwater and sediment samples were analysed with respect to their Fe isotopic compositions using high mass resolution Multi Collector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (MC-ICP-MS). The delta56Fe -values of groundwater samples taken from observation wells located downstream of the source area were isotopically lighter than delta56Fe -values obtained from groundwater in the uncontaminated well. The Fe isotopic composition of most parts of the sediment profile was similar to the Fe isotopic composition of uncontaminated groundwater. Thus, a significant iron isotope fractionation can be observed between sediment and groundwater downstream of the BTEX contamination.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden geochemische Prozesse zum biologischen Abbau von aromatischen Kohlenwasserstoffen im Grundwasser am Standort Schäferhof-Süd (Nienburg/Weser in Niedersachsen) untersucht. Hierzu wurden auf dem ehemals militärisch genutzten Gelände Grundwasser- und Bodenproben entnommen, umfangreich analysiert und ausgewertet. Die aromatischen Kohlenwasserstoffe Benzol, Toluol, Ethylbenzol und die Isomere des Xylols (BTEX) sowie Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) weisen ein hohes toxisches Potential auf. Durch Leakagen und dem unsachgemäßem Umgang mit Mineralölen und Mineralölprodukten kommt es häufig zu Kontaminationen des Bodens und Grundwassers, wodurch oft Trinkwasserressourcen bedroht werden. Aus diesem Zusammenhang heraus erfordern Mineralölschäden eine genaue Untersuchung bezüglich des Kontaminationsherdes und der Ausbreitung der Schadstoffe im Untergrund. Im Anschluss daran ist der Einsatz von aktiven und überwachenden Sanierungsmassnahmen erforderlich. Hier hat sich in der Vergangenheit der Ansatz des 'Kontrollierten Abbaus und Rückhalt von Schadstoffen' (Monitored Natural Attenuation; MNA) bewährt, welcher die natürlich ablaufenden biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse im Untergrund berücksichtigt. Um die Kontamination durch BTEX und die biologischen Abbauprozesse im Grundwasser am ausgewähltem Standort zu untersuchen, wurden auf dem Areal insgesamt sechs Grundwassermessstellen über einen Zeitraum von drei Jahren (2002-2004) regelmäßig beprobt und analysiert. Bei den chemischen Analysen standen neben den Schadstoffen die chemischen Komponenten Sauerstoff, Nitrat, Eisen(II), Sulfat und Methan, sowie die Abbauprodukte von BTEX im Vordergrund. Im Bereich des vermuteten Haupteintragsherdes der Kontamination wurden mittlere BTEX-Konzentrationen von 532 µg/l im Grundwasser gemessen. Diese steigen in Grundwasserfließrichtung bis auf 3300 µg/l (Mittelwert) im oberen Bereich des Grundwasserleiters an, was auf zusätzliche, stromabwärts gelegene Eintragsquellen von BTEX hinweist. Der direkte Nachweis von biologischen Abbauprodukten (organische Säuren), welche durch den mikrobiellen Abbau von BTEX und von polyzyklischen aromatischen Kohlen-wasserstoffen (PAK) entstehen, ist eine gute und anerkannte Methode im Bereich NA zum Nachweis mikrobieller Abbauprozesse im Grundwasser. Die Analytik dieser organischen Säuren aus dem Grundwasser erfolgt durch Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GC/MS). Im Rahmen der Dissertation wurde ein Verfahren für die Festphasenextraktion entwickelt, welches den Arbeitsablauf der Extraktion von Metaboliten aus dem Grundwasser erheblich vermindert. Die Wiederfindungsraten der Methode liegen zwischen 75-97% und die Nachweisgrenzen bei 0,8 µg/l. Im Anstrom und in den tief verfilterten Bereichen des Grundwasserleiters wurden nur geringe Konzentrationen von Metaboliten nachgewiesen, welche natürlichen Hintergrundwerten entsprechen. In den flach verfilterten Abschnitten des Grundwasserleiters treten jedoch im kontaminierten Bereich erhöhte Konzentrationen von Benzoesäure und C1-C3-Benzoesäuren auf. Diese korrelieren mit den erhöhten Substratgehalten im Grundwasser. Weiterhin belegt die Zehrung der Elektronenakzeptoren O2, NO3-, Fe3+, SO42- und der Ablauf von Methanogenese im kontaminierten Grundwasser den mikrobiellen Schadstoffabbau unter anaeroben Milieubedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass steigende BTEX-Konzentrationen im Grundwasser am Standort nicht die Folge eines eingeschränkten biologischen Abbaus sind. Als eine weitere wichtige Erkenntnis konnte eine intensive Abhängigkeit der BTEX-Konzentration im Grundwasser von der Änderung des Grundwasserstandes am Standort festgestellt werden. Im Bereich des Haupteintragsherdes von BTEX wurde eine negative Korrelation der Schadstoffkonzentrationen mit der Höhe des Grundwasserstandes beobachtet. Bedingt durch das sehr trockene Sommerhalbjahr 2003, kam es zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels um 1,7 m im Vergleich zum vorhergehenden Winterhalbjahr, was zur Folge hatte, dass die BTEX-Konzentrationen am Ort des Eintrages der Kontamination von 240 µg/l auf 1300 µg/l im Grundwasser anstiegen. Die BTEX-Konzentrationen im Grundwasser werden von den natürlichen Abbau- und Rückhalteprozessen im Untergrund beeinflusst, jedoch ist am Standort der Einfluss von Grundwasserschwankungen deutlich stärker als die NA-Prozesse. Um die Erkenntnisse der im Boden ablaufenden Abbauprozesse zu erweitern, wurde der Zusammenhang der Fraktionierung von Eisenisotopen während der Reduktion von gebundenem Eisen(III) im Sediment zu wasserlöslichem Eisen(II) im Grundwasser untersucht. Es wurde festgestellt, dass unkontaminierte Grundwasserproben und kontaminierte Bodenproben ähnliche Isotopien aufweisen. Die delta56Fe Werte der kontaminierten Grundwasserproben, welche stromabwärts des vermuteten BTEX-Haupteintragsherdes genommen wurden sind isotopisch signifikant leichter als die kontaminierten Bodenproben. Die auseinandergehenden Isotopien der Grundwasser- und Bodenproben können Anhaltspunkte für die mikrobielle Aktivität im Grundwasserleiter geben.
KW  - Biologischer Abbau
KW  - Grundwasserverschmutzung
KW  - BTX-Aromaten
KW  - TEAPs
KW  - Fe-Isotope
KW  - Biodegradation
KW  - BTEX
KW  - groundwater
KW  - TEAPs
KW  - Fe-isotopes
Y1  - 2008
UR  - http://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/frontdoor/index/index/docId/7278
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hebis:30-72542
ER  -