Aerob metabolischer TCE-Abbau - Scale-Up, molekularbiologischer Nachweis und Stimulation im Rahmen der Bioaugmentation

Chlorethene sind ubiquitär präsente Grundwasserkontaminanten die unter anderem in der
Industrie (z.B. Metallindustrie, Farbindustrie) und im Dienstleistungsgewerbe (z.B.
Textilreinigung) ihren Einsatz finden. Die höher chlorierten Stoffe Tetrachlorethen und
Trichlorethen (TCE) galten lange Zeit nur unter stark anaeroben Bedingungen als abbaubar.
Für TCE konnte 2014, an einem Standort in Süddeutschland, erstmalig der aerob
metabolische Abbau gezeigt werden. Nachweise an weiteren Standorten bleiben bis heute rar.
Da der aerob metabolische Abbau durch eine vollständige Mineralisation des Schadstoffes,
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eine hohe Effizienz in der Verwendung des eingesetzten Sauerstoffs sowie die
Unabhängigkeit von Auxiliarsubstraten einen deutlichen Vorteil gegenüber der reduktiven
Dechlorierung und aerob co-metabolischen Abbauwegen besitzt, birgt der Einsatz einer aerob
metabolisch TCE-Abbauenden Kultur im Rahmen von Bioaugmentationsanwendungen
großes Potential.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Bioaugmentationsansätze untersucht.
In Batch-Versuchen wurde erfolgreich die Anwendbarkeit der TCE-abbauenden
Bioaugmentationskulturen in realen Grundwässern demonstriert, sowie eine neue, zum
gleichzeitigen aerob metabolischen Abbau von cDCE und TCE befähigte, Labor-Mischkultur
etabliert.
Die Ausbreitung der TCE-abbauenden Bioaugmentationskultur, in Abhängigkeit der
Inokulationsmethode, wurde in Laborsäulen (~10 L) untersucht. Hierbei erwies sich eine
Inokulation mit, auf einem Trägermaterial, immobilisierter Biomasse als sehr erfolgreicher
Ansatz. Auf technischer Skala (~400 L) konnte mit diesem Ansatz in Box-Systemen ein
weiterer Schritt in der Skalierung des Bioaugmentations-Ansatzes hin zur Pilotanwendung im
Feld erfolgreich demonstriert werden. Dabei konnte in den Säulenversuchen ein TCE-Abbau
von 5 mgTCE/(L*d) und in den Box-Systemen ein Abbau von 6,75 mgTCE/(L*d) erzielt werden.
Durch die Entwicklung spezifischer qPCR-Methoden wurde ein neues Toolkit zur Verfügung
gestellt, welches ermöglicht Standortpotentiale zum aerob metabolischen TCE-Abbau zu
evaluieren und somit weitere Standorte mit Potential zum aerob metabolischen TCE-Abbau
zu identifizieren und die Sanierung nachhaltiger zu gestalten.
Durch die Kombination nicht-biologischer und biologischer Verfahren kann die Anwendbarkeit
von Bioremediationsansätzen auf zuvor nicht geeignete Standorte ausgeweitet werden. Im
Rahmen des Projektes EiCLaR wurde der aerob metabolische TCE-Abbau durch Anlegen
eines Gleichstroms mit elektrokinetischen und elektrochemischen Effekten kombiniert und
stimuliert.
Während elektrokinetische Effekte im sandigen Aquifer nur geringfügige Vorteile für die
Ausbreitung der Bioaugmentationskultur bedeuteten, führte die elektrolytische Produktion von
Sauerstoff im durchflossenen System zu einer signifikanten Zunahme des TCE-Abbaus von
92,6 mgTCE/(L*d) auf 164 mgTCE/(L*d).

Chloroethenes are globally prevalent groundwater contaminants that find usage in the metal-,
dye- and service-industry. The higher chlorinated ethenes Tetrachloroethene and
Trichloroethene (TCE) were regarded as biodegradable only under strongly reducing
conditions via reductive dechlorination. The aerobic metabolic degradation of TCE has been
demonstrated for the first time in 2014 on a site in southern Germany. Further reports of
aerobic metabolic TCE degradation have been scarce.
The aerobic metabolic degradation of chloroethenes excels through complete mineralization
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of contaminants without stable intermediates, high oxygen consumption efficiency and the
independence of auxiliary substrates and, therefore, has a significant advantage over
anaerobic reductive dechlorination as well as aerobic co-metabolic degradation processes.
Due to the advantages, the usage of the aerobic metabolic TCE-degrading bacteria in the
scope of bioaugmentation approaches yields considerable potential in the remediation of TCEcontaminated
sites.
Different bioaugmentation approaches have been investigated in this thesis.
The viability of the TCE-degrading organisms for bioaugmentation has been demonstrated in
batch experiments with groundwater from different contaminated sites. Additionally, a new
blended mixed bacterial laboratory culture, capable of simultaneous aerobic metabolic cDCE
and TCE degradation was established.
The spread of the TCE-degrading bioaugmentation culture, based on the method of
inoculation, has been investigated in laboratory columns (~10 L). The inoculation with, on a
carrier material, immobilized biomass was shown to be a very successful approach. With
successful scaling of the bioaugmentation approach to technical scale box experiments
(~400 L) a major milestone for the transition into a pilot scale field application has been
achieved. During the scale up experiments, TCE degradation of 5 mgTCE/(L*d) in the column
experiments and 6.75 mgTCE/(L*d) in the box experiments were achieved.
The development of specific qPCR-methods provides a new toolkit to evaluate site potential
for the aerobic metabolic TCE degradation and identify additional sites capable of this process.
The combination of non-biological and biological processes can increase the applicability of
bioremediation approaches to sites not suitable prior. In the scope of the EiCLaR project, the
aerobic metabolic TCE-degradation has been combined with phenomena of a DC electrical
field.
While electrokinetic effects showed minor advantages regarding the spread of the
bioaugmentation culture, the electrolytic production of oxygen resulted in a significant increase
of degraded TCE in the flow through columns, increasing the degradation rate from
92,6 mgTCE/(L*d) to 164 mgTCE/(L*d).