Projekt 13845/01

Biotechnologische Behandlung Trinitrotoluol-belasteter Böden durch Chemisorption

Projektträger

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- undBioverfahrenstechnik (IGB)
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart
Telefon: 0711/970-4216

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

TNT-belasteter Boden kann durch eine biologische Anaerob-/Aerob-Behandlung dekontaminiert werden. Während der anaeroben Verfahrensstufe werden TNT und Begleitkontaminanten unter Zusatz von Glucose durch biologische Reduktion der Nitrogruppen im Boden festgelegt. Die aerobe Verfahrensstufe dient dem biologischen Abbau der aus der Glucose gebildeten Gärprodukte sowie der Förderung des Humifizierungsprozesses der im Boden festgelegten Verbindungen. Ziel der geplanten Untersuchungen ist es, mit Hilfe des Einsatzes von isotopenmarkiertem TNT die Langzeitstabilität und die Bindungsformen des im Boden reduzierten und irreversibel festgelegten TNT zu analysieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm die vollständige und irreversible Bindung des reduzierten TNT nach der biologischen Behandlung des TNT-kontaminierten und mit 14C-TNT aufdotierten Bodens zu prüfen, wurden Remobilisierungsversuche unter drastischen sowie Langzeitbedingungen durchgeführt werden. Außerdem kam eine Silylierungsmethode des Bodens zur Anwendung, um zwischen kovalent gebundenen Molekülen und in Huminstoffen eingeschlossenen freien Molekülen zu unterscheiden. Darüber hinaus wurde in der Huminsäurenfraktion bestimmt, in welchem Molekulargewichtsbereich das reduzierte TNT gebunden vorliegt.
Vorrangiges Ziel des Projektes war es, die Bindungsformen des im Boden reduzierten und irreversibel festgelegten TNT zu analysieren. Durch Einsatz von 15N-TNT wurde mit Festkörper NMR-spektroskopischen Analysen untersucht, ob bei der biologischen Anaerob-/Aerob-Behandlung von TNT im Boden eine Reduktion aller drei Nitrogruppen erfolgt. Außerdem sollten durch die NMR-Analysen Aussagen über die Art der kovalenten Bindungen von reduziertem TNT gewonnen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, mit Hilfe des Einsatzes von isotopenmarkiertem TNT die Bindungsformen und die Stabilität des im Boden reduzierten und festgelegten TNT zu analysieren. Versuche mit 14C-markiertem TNT zeigten, dass durch eine biologische Anaerob-/ Aerob-Behandlung eine vollständige Immobilisierung von reduziertem TNT erreicht wird. Remobilisierungsversuche unter drastischen Bedingungen bestätigten den irreversiblen Bindungscharakter. Auch bei Simulation einer jährlichen Niederschlagsmenge von 2000 mm wurde innerhalb von 22 Monaten nur eine sehr geringe Auswaschung von radioaktivmarkierten Substanzen beobachtet. Bei diesen Substanzen handelte es sich weder um TNT noch um dessen Reduktionsprodukte. Wurde aus dem biologisch behandelten Boden die Huminsäurenfraktion extrahiert und mit Hilfe der Grö-ßenausschlusschromatographie der Molekulargewichtsbereich bestimmt, in dem die Radioaktivität gebunden vorlag, so ließ sich ableiten, dass die reduzierten Metabolite des TNT im gesamten Molekulargewichtsbereich der Huminsäurenfraktion integriert vorlagen. Weitere Extraktionen des biologisch behandelten Bodens unter nichthydrolytischen alkalischen sowie unter hydrolytischen sauren Bedingungen lie-ßen erkennen, dass es nicht zu einer Freisetzung von partiell reduzierten Verbindungen des TNT kommt. Darüber hinaus ergaben Extraktionsversuche, bei denen der biologisch behandelte Boden einer Silylierung unterzogen wurde, keine Hinweise auf die Freisetzung von niedermolekularen radioaktivmarkierten Verbindungen. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass die Metabolite des TNT durch Chemisorption in die organische Bodensubstanz kovalent eingebunden wurden und nicht nur sequestriert wurden. Entsprechende Resultate wurden auch durch Festkörper 15N-NMR-spektroskopische Messungen von Bodenproben während und nach der biologischen Anaerob-/Aerob-Behandlung von TNT-kontaminiertem Boden erhalten. Es wurde festgestellt, dass TNT einer starken chemischen Veränderung unterliegt. Die spektroskopischen Befunde bestätigten ebenfalls die kovalente Bindung von reduzierten Derivaten des TNT durch Einbau in die organische Bodensubstanz.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teile der Untersuchungen wurden beim Workshop Langzeit- und Remobilisierungsverhalten von Schadstoffen: Festlegung von organischen Schadstoffen bei der biologischen Bodensanierung vorgestellt und in einem Tagungsband veröffentlicht. Ein Teil der Untersuchungen wurde bei der Zeitschrift Environmental Toxicology and Chemistry zur Veröffentlichung eingereicht. Zu den übrigen Untersuchungen sind weitere Veröffentlichungen in Vorbereitung.


Fazit

Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es nachzuweisen, dass die Metabolite des TNT während des biologischen Sanierungsverfahrens tatsächlich irreversibel über kovalente Bindungen im Boden festgelegt werden. Zum jetzigen Zeitpunkt kann die Aussage getroffen werden, dass die erzielten Ergebnisse mit dieser Art der Festlegung der Metabolite des TNT in Einklang stehen. Es konnte sowohl die Stabilität der festgelegten Metabolite unter drastischen Extraktionsbedingungen als auch die Langzeitstabilität belegt werden. Es gibt keine analytischen Befunde, die auf eine Maskierung von TNT oder Metaboliten des TNT in die organische Bodensubstanz hinweisen. Sowohl die Untersuchungen mit 14C-markiertem TNT als auch die Festkörper 15N-NMR-Spektroskopie zeigen, dass die Metabolite des TNT über kovalente Bindungen in die organische Bodensubstanz eingebaut vorliegen.