Anaerobe Metabolite organischer Schadstoffe im Grundwasser

261 Pages·2014·14.38 MB·German

by  Carsten Jobelius

Band 61

Schriftenreihe des Lehrstuhls für
Wasserchemie und Wassertechnologie
und der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

Anaerobe Metabolite organischer Schadstoffe im
Grundwasser - Analytik, Bildung und Nutzung als
Indikatoren

Carsten Jobelius

Herausgeber
Harald Horn

Karlsruhe 2014
Carsten Jobelius
Anaerobe Metabolite organischer Schadstoffe im Grundwasser - Analytik, Bildung und Nutzung
als Indikatoren
Herausgeber: Harald Horn
Band 61
Schriftenreihe des Lehrstuhls für Wasserchemie und Wassertechnologie und der DVGW-
Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Karlsruhe 2014

ISSN: 2195-2973
Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie und DVGW-Forschungsstelle
am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Engler-Bunte-Ring 1
D-76131 Karlsruhe
Tel.: [phone]
Fax: [phone]
E-mail: [email protected]
http://wasserchemie.ebi.kit.edu/

Titelbild: Schematische Darstellung des mikrobiologischen Abbaus von organischen Schadstoffen
und der Bildung von Redoxzonen in einem kontaminierten Aquifer (nach Lovley 2001)

Dieses Werk wird durch das deutsche Urheberrechtsgesetz und internationale Verträge urheberrechtlich
geschützt. © 2014 Prof. Dr. H. Horn. Alle Rechte vorbehalten. All rights reserved.
Anaerobe Metabolite organischer Schadstoffe im Grundwasser
- Analytik, Bildung und Nutzung als Indikatoren

zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.)

der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

genehmigte

DISSERTATION

von
Diplom-Umweltwissenschaftler
Carsten Jobelius
aus Wuppertal

Referent: Prof. Dr. Christian Zwiener
Korreferent: Prof. Dr. Christoph Syldatk
Tag der mündlichen Prüfung: 16.07.2014
So eine Arbeit wird eigentlich nie fertig,
man muss sie für fertig erklären,
wenn man nach der Zeit und den Umständen
das Möglichste getan hat.

Johann Wolfgang von Goethe

Meiner Familie
Vorwort und Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit vom Mai 2006 bis September 2010 am Lehrstuhl
für Wasserchemie des Engler-Bunte-Instituts am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Diese Arbeit wäre ohne die Unterstützung, Motivation und Ideen zahlreicher Menschen wohl
nie zu einem erfolgreichen Ende gekommen. Ich bedanke mich an dieser Stelle bei allen, die
dazu beigetragen haben.

An erster Stelle danke ich meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Christian Zwiener für die
Betreuung meiner Arbeit, die Unterstützung und die vielen fachlichen Diskussionen.

Herrn Prof. Dr. Fritz Frimmel danke ich für die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe und für die
vielen wertvollen fachlichen Anregungen.

Bedanken möchte ich mich auch bei Herrn Prof. Dr. Christoph Syldatk für das Interesse an
meiner Arbeit und die Übernahme des Korreferats.

Allen derzeitigen und ehemaligen Mitarbeitern des Engler-Bunte-Instituts im Bereich
Wasserchemie mit denen ich zusammenarbeiten durfte danke ich für die vielen
Hilfestellungen, die angenehme Arbeitsatmosphäre und die fachlichen Diskussionen.
Insbesondere vielen Dank an Elly Karle und Raphael Peschke (HPLC-MS/MS,
Probenvorbereitung), Axel Heidt (GC, Huminstoffanreicherungen) und Matthias Weber (LC-
UV/DOC) für die verschiedenen Messungen und Anreicherungen sowie Christina Schmalz
für die angenehme Arbeitsatmosphäre im gemeinsamen Labor. Frau Dr. Gudrun Abbt-Braun,
Ursula Schäfer und Sylvia Heck danke ich recht herzlich für die Hilfe bei bürokratischen
Problemen im Rahmen des institutionellen Alltags.

Meinem langjährigem Bürokollegen Heiko Schwegmann danke ich für die vielen (fachlichen)
Gespräche, für die "Nachhilfe" bei mikrobiologischen Themen und seine "Blutgrätschen" bei
diversen Fußballspielen.

Weiterhin gilt mein Dank den Studenten, die im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten
sowie als HiWis durch ihre Ideen und ihren Arbeitsaufwand entscheidend zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen haben. Herausheben möchte ich in diesem Zusammenhang Lilith
Henes, Felix Götz, Sandra Deutsch, Floris Dahl und Angela Vives Escriva.

Ein ganz besonderer Dank gilt auch folgenden Personen, die sich bereit erklärt haben meine
Doktorarbeit in den unterschiedlichen Phasen der Fertigstellung Korrektur zu lesen: Eike ter
Haseborg, Markus Ziegmann, Heiko Schwegmann, Christina Schmalz, Markus Delay und
meinen Eltern.

Allen Mitgliedern der Forschungsgruppe "Electron transfer processes in anoxic aquifers
(etrap)" danke ich für die Unterstützung und die vielen intensiven Diskussionen bei den
zahlreichen Treffen: Prof. Dr. Rainer Meckenstock Prof. Dr. Andreas Kappler, Prof. Dr.
Stefan Haderlein, PD Dr. Hans-Herrman Richnow, Iris Bauer, Anke Buchholz, Katrin
Hellige, Stefan Feisthauer und Rita Kleemann. Insbesondere Herrn Prof. Dr Rainer
Meckenstock danke ich für die Möglichkeit anaerobe mikrobielle Arbeitstechniken an seinem
Institut zu erlernen. In diesem Zusammenhang möchte ich auch ganz besonderes der
Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen
dieses Forschungsprojektes danken.

Ich danke Herrn Dr. Wolfgang Schulz und Dr. Alexander Müller vom Zweckverband
Landeswasserversorgung für die Messungen am LC-QTOF-MS und für die Hilfestellungen
bei der Auswertung der Daten.

Meinen Eltern Brigitta und Walter Jobelius gilt besonderer Dank für die finanzielle und stets
liebevolle Unterstützung. Ihr habt immer an mich und die Promotion geglaubt, auch wenn ich
es selber nicht mehr getan habe.

Mein letzter und ganz herzlicher Dank gilt meiner Frau Anna. Danke für deine Geduld,
Unterstützung und Liebe, die mich auch an schlechten Tagen wieder aufgerichtet hat. Obwohl
die Doktorarbeit selten zur guten Stimmung innerhalb der Familie beigetragen hat, hast du sie
mit mir gemeinsam durchgestanden.
Durch die Geburten unserer Kinder Simon und Clara hast du mich sehr glücklich gemacht.
Die beiden haben zwar nicht unbedingt die Fertigstellung der Doktorarbeit beschleunigt, aber
unser Leben unglaublich bereichert.
Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ...................................................................................................... 1
1.1 Problemstellung und Motivation ................................................................................. 1
1.2 Zielsetzung und Arbeitsschritte ................................................................................... 3
2. Stand des Wissens ......................................................................................... 7

2.1 Kontamination von Grundwässern .............................................................................. 7
2.1.1 Natürliche Schadstoffminderungsprozesse (Natural Attenuation) ....................... 9
2.1.2 Schadstoffabbau im Grundwasser ...................................................................... 12
2.1.3 Ehemalige Gaswerksstandorte ............................................................................ 15
2.2 Anaerober mikrobieller Abbau aromatischer und heterozyklischer Schadstoffe ...... 16
2.2.1 Anaerobe mikrobielle Abbauwege ..................................................................... 16
2.2.1.1 Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol-Isomere (BTEX) .......................... 17
2.2.1.2 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) .............................. 20
2.2.1.3 Heterozyklen ............................................................................................... 22
2.2.2 Methoden zum Nachweis von Abbauprozessen im Aquifer .............................. 23
2.2.3 Zonen hoher mikrobieller Abbauaktivität (Plume Fringe Concept) .................. 26
2.3 Auftreten und Rolle aromatischer und heterozyklischer Metabolite ......................... 27
2.3.1 Identifizierte Metabolite ..................................................................................... 29
2.3.2 Metabolite als Indikatoren für mikrobiologischen Abbau .................................. 32
2.3.2.1 Qualitative Indikatorfunktion ...................................................................... 32
2.3.2.2 Quantitative Indikatorfunktion .................................................................... 34
2.4 Analytische Methoden zur Bestimmung von Metaboliten ........................................ 35
2.4.1 GC-MS ............................................................................................................... 36
2.4.2 LC-MS ................................................................................................................ 37
2.4.2.1 LC-MS/MS .................................................................................................. 40
2.4.2.2 LC-QTOF-MS ............................................................................................. 42
2.4.3 Einzelstoffanalytik .............................................................................................. 44
2.4.4 Screening und Identifizierung ............................................................................ 45
2.5 Anthropogener Anteil am gelösten organischen Kohlenstoff (DOC)........................ 50
2.5.1 Isolierung von Huminstoffen .............................................................................. 52
2.5.2 Charakterisierung mit Größenausschlusschromatographie (LC-UV/DOC) ....... 53
2.5.3 Charakterisierung mit massenspektrometrischen Methoden .............................. 55
II Inhaltsverzeichnis
3. Materialien und Methoden ........................................................................ 57

3.1 Feldstandorte und Probenahmen ............................................................................... 57
3.1.1 Düsseldorf .......................................................................................................... 57
3.1.2 Stuttgart („Testfeld Süd“) .................................................................................. 60
3.1.3 Weißandt-Gölzau ............................................................................................... 62
3.1.4 Hohlohsee........................................................................................................... 64
3.2 Anaerobe Abbauexperimente .................................................................................... 64
3.2.1 Bakterienkultur Geobacter toluenoxydans TMJ1 .............................................. 64
3.2.2 Batch-Experimente............................................................................................. 65
3.2.2.1 Ansatz der Batch-Experimente ................................................................... 65
3.2.2.2 Durchführung der Probenahmen................................................................. 68
3.3 Analytische Methoden ............................................................................................... 68
3.3.1 LC-ESI-MS/MS ................................................................................................. 68
3.3.1.1 Neutral-Loss-Scans (NLS) .......................................................................... 69
3.3.1.2 Product-Ion-Scans (PIS) ............................................................................. 70
3.3.1.3 Multiple-Reaction-Monitoring (MRM) ...................................................... 71
3.3.2 LC-ESI-QTOF-MS ............................................................................................ 73
3.3.2.1 Bestimmung von Summenformeln (MS-only) ........................................... 73
3.3.2.2 Ermittlung von hochaufgelösten Fragmentspektren (Targeted MS-MS) ... 77
3.3.3 GC-MS ............................................................................................................... 78
3.3.3.1 Messung von Toluol ................................................................................... 79
3.3.3.2 Derivatisierung und Messung von sauren Metaboliten .............................. 79
3.3.4 Bestimmung des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) ............................ 80
3.3.5 LC-UV/DOC ...................................................................................................... 80
3.3.6 UV/VIS-Spektroskopie ...................................................................................... 82
3.3.7 Anreicherungsmethoden .................................................................................... 82
3.3.7.1 Festphasenanreicherung (SPE) ................................................................... 82
3.3.7.2 Flüssig-flüssig-Extraktion........................................................................... 83
3.3.7.3 Huminstoffanreicherung ............................................................................. 84
4. Ergebnisse und Diskussion ........................................................................ 86

4.1 Analytik saurer aromatischer und heterozyklischer Metabolite ................................ 86
4.1.1 Saure Metabolite in Huminstoff-Isolaten aus dem Aquifer in Stuttgart ............ 86
4.1.1.1 Typische LC-ESI-MS/MS-Fragmentspektren ............................................ 88
4.1.1.2 Screening mittels Neutral-Loss-Scans (NLS) ............................................. 90
Inhaltsverzeichnis III
4.1.1.3 Identifizierung saurer Metabolite ................................................................ 94
4.1.2 Saure Metabolite in Wasserproben aus dem Aquifer in Düsseldorf ................ 105
4.1.2.1 Suspect-Screening und Identifizierung ..................................................... 107
4.1.2.2 Absicherung durch Fragmentspektren aus GC-MS-Messungen ............... 108
4.1.2.3 Quantifizierung saurer Metabolite ............................................................ 113
4.2 Anaerober Abbau und Metabolitenbildung unter definierten Milieubedingungen.. 116
4.2.1 Toluolabbau und Metabolitenbildung unter unterschiedlichen
Milieubedingungen ......................................................................................................... 117
4.2.1.1 Einfluss der Temperatur ............................................................................ 119
4.2.1.2 Bildung des Metaboliten Benzylbernsteinsäure (BBS) ............................. 120
4.2.1.3 Nutzung des Metaboliten BBS als Substrat .............................................. 122
4.2.2 Metabolitenbildung und Cometabolismus in Schadstoffgemischen ................ 124
4.2.2.1 Zugabe von Cosubstratmischungen .......................................................... 124
4.2.2.2 Zugabe einzelner Cosubstrate in höheren Konzentrationen ...................... 131
4.3 Metaboliten als Indikatoren für Schadstoffabbau und mikrobiologische Aktivität . 133
4.3.1 Qualitative Indikatoren des Schadstoffabbaus ................................................. 133
4.3.2 Quantitative Indikatoren des Schadstoffabbaus ............................................... 136
4.3.3 Indikatoren für Zonen erhöhter biologischer Aktivität .................................... 141
4.3.4 Transport im Aquifer und Nutzung als Elektronendonatoren .......................... 146
4.4 Anthropogener Anteil am DOC in kontaminierten Aquiferen ................................ 148
4.4.1 Isolierung von natürlichem und anthropogen geprägten DOC ......................... 148
4.4.2 Charakterisierung des DOC mit LC-UV/DOC ................................................. 153
4.4.2.1 LC-UV/DOC-Chromatogramme der Fulvinsäure-Isolate ......................... 153
4.4.2.2 Repräsentativität der LC-UV/DOC-Chromatogramme ............................ 160
4.4.3 Charakterisierung des DOC mit massenspektrometrischen Techniken ........... 163
5. Zusammenfassung und Ausblick ............................................................ 172

5.1 Zusammenfassung ................................................................................................... 172
5.2 Ausblick ................................................................................................................... 176
6. Summary ................................................................................................... 179

7. Literatur .................................................................................................... 184

8. Verzeichnis der Symbole und Abkürzungen ......................................... 206

8.1 Symbole ................................................................................................................... 206
8.2 Abkürzungen ............................................................................................................ 206
IV Inhaltsverzeichnis
9. Verzeichnis der Abbildungen .................................................................. 210

10. Verzeichnis der Tabellen ......................................................................... 218

A. Anhang ....................................................................................................... 221