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Natural Attenuation - Bestimmung des biologischen Abbaus mit Hilfe der 13C-Methode:

Abb.1 Isotopenfraktionierung.

Mikroorganismen verursachen infolge des Schadstoffabbaus eine Veränderung des natürlichen Isotopenverhältnisses (z.B. 13C/12C) eines Substrates. Hierbei verwerten Mikroorganismen bevorzugt die Schadstoffverbindungen, die durch die „leichten“ Isotopomere (Verbindungen mit relativ hohem 12C-Anteil) aufgebaut sind. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung der „schwereren“ Isotopomere (Verbindungen mit relativ hohem 13C-Anteil) in der residualen Schadstofffraktion (s. Abb. 1).

Mit Hilfe der Isotopenmethode kann deshalb der Abbau einer Substanz bzw. einer Substanzgruppe über die Verschiebung der stabilen Isotopenverhältnisse in der noch nicht abgebauten Restsubstanz bestimmt werden. Einerseits kann der Abbau nachgewiesen und andererseits können Aussagen über die tatsächliche Abbaueffizienz erhalten werden. Da die Isotopenverhältnisse nicht signifikant von anderen Prozessen beeinflusst werden, kann spezifisch der mikrobielle Schadstoffabbau unabhängig von stattfindender Verdünnung oder Adsorption, die ebenfalls zu einer Schadstoffabnahme führen, quantifiziert werden.

Im Folgenden werden Effekte aufgeführt, die zu Schadstoffreduktion führen, obwohl kein biologischer Abbau erfolgt:

  • Lösung und Verdünnung
  • Ausfällungs- oder Lösungsprozesse anorganischer Stoffe mit dem Effekt der Degradierung von Schadstoffen (Redoxreaktionen, Dechlorierung)
  • Diffusion im Grundwasser aufgrund von Konzentrationsunterschieden
  • Adsorption an organischen bzw. anorganischen Bodenbestandteilen
  • Ausgasung flüchtiger Verbindungen

Zur vertiefenden Bewertung wurden die 13C-Bilanzsummenwerte anhand der Mol-Anteile und den analysierten δ13C-Werten der Einzelsubstanzen der chlorierten Ethene abgeleitet.

Σδ13C(PCE-VC) ist die molare gewichtete Summe der δ13C-Werte der Verbindungen PCE, TCE, cDCE, tDCE und VC.

Σδ13C(PCE-Ethen) ist die molare gewichtete Summe der δ13C-Werte der Verbindungen PCE, TCE, cDCE, tDCE, VC und Ethen.

 

Liegen in einem Untersuchungsgebiet sehr hohe biologische Aktivitäten (LCKW-Abbauvorgänge ähnlich den Laborbedingungen) vor, so ist in spezifischen Fällen eine Verschiebung (Isotopenfraktionierung) der δ13C-Werte, infolge eines mikrobiellen Abbaus zu beobachten. Dieser Isotopeneffekt ist dann sowohl bei der Primärsubstanz (Isotopenanreicherung; Verschiebung zu „schwereren“ Werten) als auch bei den entstehenden Metaboliten (Isotopenabreicherung und anschließende Verschiebung meist zu „schwereren“ Werten gegenüber dem Ausgangswert) ersichtlich, und kann durch Vergleich mit berechneten Isotopengehalten erkannt und ggf. weiter ausgewertet werden. Die Berechnung erfolgt in den betreffenden Fällen mit Hilfe der Kinetik 1.Ordnung, mit dem Isotopeneffekte in vielen Anwendungen erfolgreich beschrieben werden können. Als freier Parameter der Berechnung bzw. Anpassung fungiert die 13C-Primärsignatur der technischen Ausgangssubstanz.

Die aus Laborstudien bekannten Anreicherungsfaktoren (ε) bei der Metabolisierung von PCE, TCE, cDCE und VC sind der Tab. 1 zu entnehmen. 

Tab.1: In der Literatur erhältliche Fraktionierungsfaktoren ε und ihre Schwankungsbreiten bei  unterschiedlichen Abbautypen. 

 

Verbindung ε [‰ ] Abbau
PCE - TCE -0,4 bis -16,1 anaerob
TCE - cDCE -2,5 bis -22,9 anaerob
cDCE - VC -12 bis -21,1 anaerob
VC - Ethen -21,5 bis -31,1 anaerob

 

Die Bewertung des biologischen Abbaus wird über die so genannte „Summensignatur“ durchgeführt. Hierbei wird beim anaeroben Abbau das nicht einfach beschreibbare Multikomponentensystem des Abbaus von PCE bzw. TCE in nicht chlorierte Verbindungen auf das Einkomponentensystem „chlorierte Verbindung reagiert zu nicht chlorierter Verbindung“ reduziert, bei dem der Massenerhalt gegeben ist. Als Maß für die isotopische Anreicherung wird die Summe der Anreicherungsfaktoren εΣ der Einzelschritte verwendet. Als Startpunkt für die Beschreibung wird die „leichteste“ plausible Primärsignatur inklusive der Messgenauigkeit verwendet. Aufgrund der Anreicherung der Summensignatur ist dann der Natural-Attenuation-Anteil, der den Abbau im Grundwasser beschreibt, bestimmbar.

Sind alle Komponenten, die dieses System beschreiben, ideal erfasst, so liegen die 13C-Summenwerte Σδ13C(PCE-VC) auf der Abbaukurve. Der Abstand des Messwertes auf der Σδ13C(PCE-VC)-Achse von der Primärsignatur kann dann als Maß für das verbleibende CKW-Restpotential verwendet werden. Treten jedoch Reaktionen auf, die einen weiterführenden Abbau anzeigen, wie z.B. Abbau von Ethen über Ethan zu CO2 und CH4, so werden die verbleibenden Komponenten weiter angereichert und liegen daher über der berechneten Kurve. D.h. je größer die Differenz zwischen Σδ13C(PCE-VC) und der Primärsignatur ist, umso kleiner ist das verbleibende LCKW-Potential.

  

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