Promotionsstipendium: Dr. Michaela Blessing

Entwicklung einer praxistauglichen isotopengeochemischen Methode zur Quantifizierung des Abbaus organischer Schadstoffe im Grundwasser und deren Einsatz zur Beurteilung des Selbstreinigungs-Konzepts bei der Sanierung kontaminierter Standorte

Isotopenanalytische Quantifizierung des Schadstoffabbaus im Grundwasser zur Anwendung in der PraxisKomponentenspezifische Isotopenanalyse zur AufklĂ€rung der Herkunft und des Verbleibs von organischen Schadstoffen in komplexen GrundwasserleiternAuf intensiv genutzten Industriestandorten kommt es oft zu einer hohen organischen Schadstoffbelastung in Grundwasser und Böden. FlĂŒchtige chlorierte und aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, sowie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), gehören dabei zu den am hĂ€ufigsten nachgewiesenen organischen Schadstoffen an kontaminierten Standorten. Physikalisch-chemische und biologische Abbau- und RĂŒckhalteprozesse in der gesĂ€ttigten und ungesĂ€ttigten Bodenzone können dabei die Ausbreitung der Schadstoffe verlangsamen und unter gĂŒnstigen Bedingungen zu einer Begrenzung der Schadstofffahne fĂŒhren (?Natural Attenuation?). In-situ Prozesse, die zu einer tatsĂ€chlichen Minimierung der Schadstofffrachten fĂŒhren, stellen dabei eine alternative Sanierungsstrategie dar, deren Anwendung allerdings ein gutes ProzessverstĂ€ndnis des Transport- und Abbauverhaltens der Schadstoffe im Untergrund voraussetzen. Die substanzspezifische Isotopenanalyse (CSIA) mittels gekoppelter Gaschromatographie-IsotopenverhĂ€ltnis-Massenspektrometrie (GC/IRMS) stellt in der Umweltanalytik eine wertvolle Methode dar, um solche Aussagen ĂŒber die Herkunft und den Verbleib von organischen Schadstoffen zu ermöglichen.Ziel der vorliegenden Arbeit war das Aufzeigen des Potentials und der Grenzen der CSIA bei der Untersuchung der Herkunft und des Verbleibs von Schadstoffen an heterogenen und komplexen Feldstandorten. Die begrenzte Empfindlichkeit derzeitiger GC/IRMS-Systeme ist hĂ€ufig der limitierende Faktor beim Einsatz der CSIA in Feldstudien. Um die Empfindlichkeit zu steigern im Sinne verbesserter Nachweisgrenzen, wurden verschiedene Probenextraktions- und Probenaufgabetechniken optimiert und fĂŒr den Einsatz in der CSIA evaluiert. FĂŒr eine effizientere Extraktion flĂŒchtiger Verbindungen konnte ein kommerziell erhĂ€ltliches Purge&Trap-System im Rahmen dieser Arbeit fĂŒr die speziellen Anforderungen optimiert werden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die hier eingesetzten Probenanreicherungs- und Extraktionstechniken effizient und zuverlĂ€ssig in der substanzspezifischen Isotopenanalytik angewendet werden können. In den durchgefĂŒhrten Studien konnte damit an unterschiedlichen Feldstandorten das biologische Abbaupotential anhand der Rayleigh-Gleichung abgeschĂ€tzt werden. FĂŒr weniger flĂŒchtige Verbindungen (z.B. PAK) wurde eine neue Methode evaluiert: PTV-LVI. Diese Technik basiert auf der Injektion grĂ¶ĂŸerer Probenmengen (large-volume injection; LVI) in einen speziellen, temperatursteuerbaren Injektor (PTV-Injektor). FĂŒr ihre Anwendung in der Isotopenanalytik wurde diese neue Technik auf Genauigkeit, LinearitĂ€t, PrĂ€zision und Reproduzierbarkeit untersucht, sowie die methodenspezifische Nachweisgrenze ermittelt. Diese Injektionstechnik (PTV-LVI) ermöglicht jetzt auch fĂŒr die bisher problematischen mittelflĂŒchtigen organischen Verbindungen verlĂ€ssliche d13C-Bestimmungen im Spurenkonzentrationsbereich und erweitert damit das mögliche Anwendungsspektrum der CSIA-Methode in der Umweltanalytik erheblich, wie am Beispiel eines Kreosot-kontaminierten Standorts gezeigt wird.Da bislang die Feldanwendung der CSIA auf relativ homogene Aquifer-Systeme beschrĂ€nkt war, lag der Anwendungschwerpunkt der Methoden auf Feldstandorten mit komplexen Bedingungen und Kontaminationsgeschichte. Dabei konnte gezeigt werden, dass die ĂŒber CSIA ermittelten d13C Werte von chlorierten Kohlenwasserstoffen, in diesem Fall Tetrachlorethen und seinen Abbauprodukten, zur Identifizierung von potentiellen Verursachern (Kontaminationsquellen) herangezogen werden können, auch wenn Bioabbau eine Rolle spielt. In einem komplexen Realfall können, wie in der Arbeit am Beispiel eines geklĂŒfteten Festgesteinsaquifer dargelegt, d13C Werte zusammen mit geochemischen und anderen standortspezifischen Informationen zuverlĂ€ssig und mit hoher statistischer Aussagekraft interpretiert werden. In einer Schadstofffahne im sĂŒdlichen Bereich des Standorts wurde zudem, durch die Integration der gemessenen Konzentrations- und Isotopendaten in ein reaktives Transportmodell, das NA-Potential in diesem Teil des Aquifers quantitativ erfasst.Ausgehend von den Ergebnissen der im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Standorte werden die BeschrĂ€nkungen und potentielle Fallgruben der CSIA unter Realbedingungen kritisch diskutiert und Strategien vorgeschlagen, mögliche Fehlerquellen zu vermeiden. Insgesamt verdeutlichen die hier erzielten Ergebnisse, wie CSIA-Methoden zu einer erfolgreichen Standortuntersuchung, auch fĂŒr komplexe SchadensfĂ€lle, beitragen können. Zudem werden kĂŒnftige Untersuchungen einen hohen Nutzen aus den hier verbesserten Methoden ziehen können.

AZ: 20004/701

Zeitraum

01.07.2004 - 30.06.2007

Institut

Eberhard-Karls-UniversitĂ€t TĂŒbingen
Zentrum fĂŒr Angewandte Geowissenschaften
Lehrstuhl fĂŒr Umweltmineralogie

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Betreuer

Prof. Dr. Stefan Haderlein