Control and limitations of microbial degradation in aromatic hydrocarbon plumes – experiments in 2-D model aquifers

Abstract

Several hundred thousand groundwater sites worldwide are contaminated with petroleum derivatives, particularly with monoaromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX). As groundwater serves as a major drinking water resource, controlled removal of these widespread organic compounds from aquifers is necessary. Among the processes involved in natural attenuation of pollutants in steady state groundwater contaminant plumes, only the mineralization via microorganisms leads to a significant mass removal. General concepts hold that in porous aquifers microbial degradation activities are primarily limited by mixing processes. Based on this consideration, the plume fringe concept was raised prior to this work, i.e. the dominant biodegradation activity takes place at the fringes of steady-state contaminant plumes, governed by the dispersive mixing of electron donors from the plume core and dissolved electron acceptors from ambient groundwater. Objective of this thesis was to experimentally prove the plume fringe concept by providing evidence that the biodegradation of model pollutants in porous media is mainly mixing-controlled. Moreover, this work tackled the detection of new potential degradation-limiting factors. The degradation of toluene and ethylbenzene therefore was investigated in 2-D sediment microcosms. Aerobic (Pseudomonas putida strain F1 and strain mt-2) as well as anaerobic (Aromatoleum aromaticum strain EbN1) degradation in toluene and ethylbenzene plumes showed steep biogeochemical gradients, dominant microbial biomass and biodegradation activities at the plumes’ fringes in homogeneous porous media. These data confirmed the plume fringe concept and showed that biodegradation in the sediment microcosms is above all controlled by transverse dispersive mixing. If this holds true, increased dispersion, i. e. transverse dispersion and macrodispersion, should lead to an enhanced biodegradation. This hypothesis was proved in experiments where transverse dispersion was increased by means of sediment heterogeneity, i.e. an alternating succession of low- (middle sand) and high- (coarse sand) conductivity zones. Indeed, in developing toluene plumes as well as in steady state toluene and ethylbenzene plumes, aerobic degradation activity exhibited a significantly higher net removal of toluene and ethylbenzene (up to 100%) when compared to a homogeneous setup. However, under mixing-controlled conditions, the plume’s fringe also exhibited zones with overlapping reactants during anaerobic degradation experiments. This indicated additional limiting factors or processes besides mixing. The slower reaction kinetics of denitrification were suggested to be responsible as the faster aerobic degradation never showed overlaps during this work. Although biokinetics played a minor role when compared to transverse dispersive mixing, the data indicated that additional limiting factors may be of greater importance in the field.

Weltweit gibt es hunderttausende von Standorten, an denen das Grundwasser mit Mineralölderivaten und insbesondere mit monoaromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole (BTEX) verschmutzt sind. Weil Grundwasser als wichtigste Trinkwasserquelle dient, ist eine kontrollierte Beseitigung von organischen Schadstoffen zwingend erforderlich. Der natürliche Schadstoffabbau stabiler Schadstofffahnen im Grundwasser unterliegt zahlreichen Prozessen, wobei ausschließlich mikrobieller Abbau zu einer deutlichen Schadstoffabnahme führt. Gemäß allgemein gültigen Konzepten wird die Abbauaktivität durch Mikroorganismen insbesondere von transversalen Mischungsprozessen limitiert. Basierend auf dieser Annahme wurde zu Beginn dieser Arbeit das Fahnenrandkonzept formuliert. Es besagt, daß die Hauptabbauaktivität am Rand von stationären Schadstofffahnen stattfindet. Dabei steuern hauptsächlich Dispersionsvorgänge die Vermischung von Elektronendonoren aus der schadstoffhaltigen Fahne mit löslichen Elektronenakzeptoren des umgebenden Grundwassers. Das Ziel dieser Arbeit ist der eindeutige, durch experimentelle Daten erbrachte Nachweis des Fahnenrandkonzepts. Zu diesem Zweck soll zweifelsfrei bewiesen werden, daß der mikrobielle Abbau von Schadstoffen in porösen Medien hauptsächlich mischungskontrolliert ist. Darüberhinaus soll aufgeklärt werden, welche anderen Faktoren das Potential besitzen, den mikrobiellen Abbau zusätzlich zu limitieren. Zu diesem Zwecke wurde der mikrobielle Abbau von toluol- und ethylbenzolhaltigen Schadstofffahnen in zweidimensionalen Modellaquifer-Mikrokosmen untersucht. Sowohl der aerobe (Pseudomonas putida Stamm F1 und Stamm mt-2) als auch der anaerobe (Aromatoleum aromaticum Stamm EbN1) Abbau im homogenen Sediment zeigte am Fahnenrand steile biogeochemische Gradienten sowie Biomasse- und Aktivitätsverteilungen auf. Die Ergebnisse bestätigten das Fahnenrandkonzept, und zeigten daß der mikrobielle Schadstoffabbau in den verwendeten Mikrokosmen hauptsächlich durch transversale Dispersion kontrolliert wird. Falls das tatsächlich zutreffen sollte, so führen erhöhte Dispersionprozesse (transversale Dispersion und Makrodispersion) zu einem verstärkten Abbau. Diese Hypothese konnte experimentell bestätigt werden, wobei Sedimente mit abwechselnder Reihenfolge von niedrig- (Mittelsand) und hochdurchlässigen (Grobsand) Zonen eine erhöhte Durchmischung ermöglichten. Im Verlauf sich entwickelnder Schadstofffahnen zeigte die aerobe Abbauaktivität eine deutlich höhere Abnahme von Toluol/Ethylbenzol im heterogenen Sediment. In stabilen Fahnen mit stufenweise erhöhten Schadstoffkonzentrationen lag die Abbaueffizenz im heterogenen Sediment zu jedem Zeitpunkt höher (bis zu 100%) als im homogenen Sediment. Während anaerober Abbauexperimente unter mischungskontrollierten Bedingungen im homogenen Sediment jedoch wurde phasenweise festgestellt, daß Toluol/Ethylbenzol und der zugehörige Elektronenakzeptor Nitrat gleichzeitig vorkamen. Dieser Umstand könnte darauf hin deuten, dass der Abbau nicht ausschließlich durch Mischungsprozesse kontrolliert wird, sondern zusätzlich limitierende Faktoren beteiligt sein könnten. Diese wurden z. T. den langsamaren Reaktionskinetiken der Denitrifikation zugeschrieben, da ähnliche Versuche mit Aerobiern, die bekanntlich schnelle Abbaukinetiken vorweisen können, solche Überlappungen nicht zeigten. Obwohl reaktionskinetische Prozesse im Vergleich zu transversalen Mischungsprozessen bei der Limitierung des mikrobiellen Schadstoffabbaus eine untergeordnete Rolle spielen, deuten die erhaltenen Daten darauf hin, daß zusätzliche limitierende Faktoren im Feld eine größere Bedeutung besitzen könnten.