Assessment of in situ transformation of Hexachlorocyclohexane using carbon stable isotope analysis (CSIA)

Abstract

The European environment agency listed around 250,000 contaminated field sites which need to be cleaned due to the hazardous effects they pose on human and ecosystem health. This number is expected to increase over the next years. Similar is the case of hexachlorocyclohexane (HCH) contamination and it is estimated that four to six million tons of various HCH materials have been dumped worldwide, which need an urgent removal from the environment. HCH can undergo degradation by microorganisms indigenous to the soil or groundwater. Therefore natural attenuation (NA), relying on the in situ biodegradation of pollutants is considered as a cost effective remediation strategy. However, it requires accurate monitoring techniques. Carbon stable isotope analysis (CSIA) is a powerful technique to provide information on the extent of degradation. α-HCH as many other organic components appear as a racemic mixture of enantiomers in the environment and enantiomer fraction (EF) can provide information on biodegradation. The combination of enantiomeric fraction (EF), CSIA and the enantiomer selective stable isotope analysis (ESIA) has potential for distinguishing transformation processes of contaminants in situ. To validate the applicability of CSIA for HCH, reaction-specific carbon isotope enrichment factors (εc) were determined in laboratory experiments for HCH isomers during aerobic and anaerobic degradation and compared with relevant abiotic reactions. Bulk enrichment factors determined for aerobic degradation of α- and γ-HCH by two Sphingobium spp. with similar reaction mechanism were similar (εc = −1.0 to −1.6 ‰ for α-HCH and εc = −1.5 to −1.7 ‰ for γ-HCH). Carbon isotope fractionation for aerobic degradation was smaller (εc = −1.0 to −1.6 ‰) as compared to anaerobic biodegradation experiments with Dehalococcoides sp. (εc = −5.5 ± 0.8 ‰) and mixed cultures (εc = −3.1 ± 0.4 ‰). For the first time anaerobic HCH transformation coupled with growth of Dehalococcoides mccartyi strain 195 was reported. Furthermore, isomer and enantiomer selective stable isotope fractionation of α-HCH was analyzed during biotic and abiotic reactions. Enantio-selective transformation and carbon isotope fractionation of α-HCH enantiomers was observed only in biotic reference studies. The extent of carbon isotope fractionation in biotic and abiotic transformation was compared to analyze the mechanism of bond cleavage. The enrichment factors of individual enantiomers εenantiomer allowed calculating an average enrichment factor in all cases which was identical with bulk enrichment factors εbulk showing the validity of the analytical approach. The extent and variability of carbon stable isotope fractionation in all laboratory investigations validate the applicability of CSIA as tool to characterize transformation of HCH in the environment. Furthermore, the ESIA method can help to distinguish biotic and abiotic reactions. The ESIA approach has probably potential for tracing the fate of other chiral contaminants in the environment. The evaluation of CSIA at a contaminated field site demonstrated its potential for the identification of source zone of HCH contaminations and estimation of the extent of degradation down gradient the source zones. In short, this study provides a concept for studying the transformation of HCH in the environment. The use of ESIA provides a comprehensive assessment of in situ degradation of α-HCH but also offers bases for tracing the fate of other contaminants containing chiral isomer with respect to i) providing evidence of degradation, ii) distinguishing pathways and iii) quantifying degradation at contaminated field sites.

Laut Europäischer Umweltagentur existieren allein in Europa ca. 250.000 Altlastengebiete, die eine große Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. Es wird davon ausgegangen, dass die Anzahl dieser kontaminierten Standorte in den nächsten Jahren weiter zunimmt. Hexachlorcyclohexan (HCH) ist mit seinen Isomeren eine dieser problematischen Verbindungen, welche an zahlreichen kontaminierten Standorten zu finden ist. Schätzungsweise vier bis sechs Millionen Tonnen HCH Abfälle sind weltweit präsent, was den dringenden Bedarf einer gesicherten Entsorgung dieser Kontamination verdeutlicht. HCHs werden im Boden und Grundwasser von verschiedenen Mikroorganismen abgebaut. Natürliche Rückhalte- und Abbauprozesse (Natural Attenuation - NA), im Speziellen der natürliche mikrobielle Schadstoffabbau ist demnach eine kostengünstige und schonende Sanierungsstrategie. Dieses Sanierungskonzept erfordert jedoch Überwachungsmethoden, um den Fortschritt des Abbaus und dessen Effizienz bewerten zu können. Die Analyse stabiler Isotope (carbon stable isotope analysis - CSIA) hat sich dabei als eine leistungsstarke Methode zur Bewertung der Abbaurate erwiesen. Zahlreiche Verbindungen, wie z.B. -HCH, kommen als Racemat in der Umwelt vor. Untersuchungen zur Isotopenfraktionierung von Enantiomerengemischen (enantiomeric fraction - EF) können zusätzlich Informationen über den biologischen Abbau dieser Verbindungen liefern. Eine sogenannte Enantiomeren-spezifische Analyse stabiler Isotopen (enantiomer selective stable isotope analysis - ESIA) hat demzufolge das Potential zur Identifizierung, Bewertung und Unterscheidung von verschiedenen in situ Abbauprozessen. Für die Validierung der Anwendbarkeit von CSIA im HCH-Abbau wurden reaktionsspezifische Isotopen-Anreicherungsfaktoren (εc) in biotischen aeroben und anaeroben als auch relevanten abiotischen Abbauexperimenten ermittelt und miteinander verglichen. Im aeroben Abbau von α- und γ-HCH durch zwei verschiedene Sphingobium Spezien wurden übereinstimmende Anreicherungsfaktoren (εc = −1.0 bis −1.6 ‰ für α-HCH und εc = −1.5 bis −1.7 ‰ für γ-HCH) ermittelt, die vermutlich durch relativ ähnliche Reaktionsmechanismen hervorgerufen werden. Die Anreicherungsfaktoren des anaeroben γ-HCH-Abbaus durch zwei Dehalococcoides mccartyi (εc = −5.5 ± 0.8 ‰) und einer Mischkultur (εc = −3.1 ± 0.4 ‰) waren dagegen signifikant höher im Vergleich zum aeroben Abbau. Im Rahmen dieser Arbeit konnte zudem erstmalig ein wachstumsabhängiger anaerober HCH-Abbau durch Dehalococcoides mccartyi Stamm 195 gezeigt werden. Des Weiteren wurden die Methode zur ESIA entwickelt und am Beispiel des chiralen α-HCH Isomers in biotischen und abiotischen Abbaureaktionen untersucht. Dabei konnte eine enantiomer-selektive Transformation sowie Isotopenfraktionierung ausschließlich in den biologischen Abbauexperimenten beobachtet werden. Basierend auf dem Vergleich der Isotopenfraktionierung des biotischen und abiotischen HCH-Abbaus konnten Aufschlüsse über den Mechanismus der Bindungsspaltung gegeben werden. Die Berechnung eines gemittelten Anreicherungsfaktors (εbulk) aus den Fraktionierungsfaktoren der einzelnen Enantiomere (εenantiomer) war identisch zu dem gemessenen Anreichungsfaktor (εbulk) ohne Enantiomerentrennung. Damit konnte die Analytik der ESIA auch erfolgreich validiert werden. Das Ausmaß und die Variabilität der Kohlenstofffraktionierung in den Laborstudien belegt die Anwendbarkeit der CSIA zur Untersuchung des HCH-Abbaus in der Umwelt. Zusätzlich kann mit Hilfe der ESIA zwischen biologischen und chemischen Reaktionen unterschieden werden. Weiterhin ist die Verwendung der ESIA zum Nachweis des biologischen Abbaus anderer organischer Schadstoffe denkbar. Die Evaluierung der CSIA am kontaminierten Feldstandort verdeutlicht das Potential zur Identifizierung von HCH-Kontaminationsquellen und erlaubt die Abschätzung der Abbaurate entlang der Grundwasserströmung. Zusammenfassend bietet diese Arbeit ein neues analytisches Konzept zur Abschätzung des in situ Abbaus von HCH. Durch die Verknüpfung von EF und CSIA zur Entwicklung der ESIA Methode wurde ein umfassender Ansatz zur Charakterisierung des in situ Abbaus der α-HCH Enantiomere vorgestellt. Dieser kann als Model für weitere Schadstoffe mit chiralen Isomeren bezüglich (i) eines Nachweis des Abbaus, (ii) der Unterscheidung verschiedener Abbauwege und (iii) einer Quantifizierung des in situ Abbaus dienen.