Nanotechnologisches Sanierungsverfahren: In situ Anwendung von Eisenoxid-Nanopartikeln zur Elimination von Schadstoffen in Altlasten (Nanosan)

TeilprojektÖkotoxikologische Bewertung von Eisenoxid-Nanopartikel anhand von Grundwasser relevanten Organismen: Nematoden

Ziele des Gesamtverbunds

Ziel des Projekts ist ein neues Verfahren zur biologischen in situ Sanierung von Benzin- und Teeröl-Grundwasserschäden. Zur Stimulation der biologischen Schadstoffminderung werden spezielle Eisenoxid-Nanopartikel (Eisenoxid-NP) eingesetzt. Laborversuche am Institut für Grundwasserökologie (HMGU) haben gezeigt, dass Eisenoxidnanopartikel die mikrobielle Eisenreduktion stark stimulieren. Dies konnte in kleinen, statischen Experimenten, aber auch in größer skalierten Säulenversuchen gezeigt werden. Als Mechanismus für die Abbaustimulation wird eine Shuttlefunktion der Nanopartikel zwischen der Außenmembran der Mikroorganismen und der reaktionsträgen, eisenhaltigen Matrixoberfläche angenommen. Diese katalytische Aktivierung soll für die Sanierung von Altlasten zur Anwendungsreife gebracht werden.In kontaminierten Grundwasserleitern kann das Potential der natürlichen Selbstreinigung durch Mikroorganismen oft nicht genutzt werden, da der reichlich vorhandene Elektronenakzeptor Eisen(III) als immobile Festphase bzw. als Kornüberzug vorliegt und somit nicht bioverfügbar ist. Durch die Zugabe von parametrisch definierten und ökotoxikologisch geprüften Eisenoxid-Nanopartikeln, welche die Eisen(III)-Oberflächen des Untergrunds bioverfügbar machen, wollen wir an einem Feldstandort eine innovative in situ Sanierung durchführen und validieren.Die Abbaustimulation kann durch Injektion der Nanopartikel am Schadensherd oder in der Schadstofffahne erfolgen. Aufgrund ihrer Größe im Nanometerbereich und ihrer Suspendierbarkeit werden die Eisenoxid-Nanopartikel weitestgehend im gleichen Porensystem wie die Schadstoffe transportiert. Ihre Mobilität hängt dabei von ihren Oberflächeneigenschaften sowie von den Umgebungsbedingungen ab, welche ihre Agglomeration, Koagulation und (Re)dispersion beeinflussen. Der Sanierungserfolg soll mittels inovativer Isotopenmethoden verifiziert und im Gesamtansatz auf Wirtschaftlichkeit überprüft werden. Die neue in situ Sanierungsmethode ist im Grundsatz erheblich effizienter, kostengünstiger, umweltschonender und nachhaltiger als bisherige konservative Verfahren (z.B. Pump-and-Treat oder H2O2-Injektion).
Das geplante Verbundprojekt hat folgende Ziele:

  • einfache Herstellung und praktikable Handhabung der NP (HMGU-M),
  • Kontrolle und Steuerung der Abbaureaktionen und -mechanismen (HMGU-M),
  • optimale Ausbringung der Nanopartikel im Untergrund (FSUJ, ARCADIS),
  • Bewertung ökotoxikologischer Auswirkungen und Risiken (HMGU-L/IBN),
  • Überwachung und Optimierung der Schadstoffabbauraten im Feld (Isodetect),
  • Durchführung, Kosten-/Nutzen-Optimierung und Wirtschaftlichkeitsberechnung des Sanierungsverfahrens (ARCADIS, Isodetect)

Ergebnisse

Die Ergebnisse, die in diesem Projekt in enger Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern erarbeitet wurden, bieten eine gute Grundlage, um die ökologischen Risiken einer FeOx-Injektion ins Grundwasser einschätzen zu können. Die Ökotoxizität konnte dadurch als Kriterium für die Auswahl der geeignetsten FeOx-Nanoaggregate (NA) zur Verwendung für die Grundwassersanierung herangezogen werden. Für eine Vielzahl von FeOx-NA wurden Toxizitätsschwellenwerte definiert, deren Werte von der Aggregatgröße, der spezifischen Oberfläche und der Qualität des organischen Coatings abhängig waren. Goethit zeigte im Vergleich zu Ferrihydrit und Akaganeit die geringste Toxizität auf C. elegans. Sogar aus natürlichem Boden extrahierte Ferrihydrit-Kolloide zeigten eine deutlich höhere Toxizität als die synthetischen Goethit-Kolloide. Wurden die Goethit-Kolloide mit Huminsäuren beschichtet, sank die Toxizität noch mal um den Faktor 4 bis 5. Die Verwendung von Goethit mit Huminsäuren im Feldversuch war also auch aus ökotoxikologischer Sicht die beste Wahl. In Modellökosystemen zeigten selbst bei relativ hohen FeOx Konzentrationen (ca. 500 mg Fe kg-1 Sediment Trockengewicht) weder Mikro- noch Meiofauna irreversible Veränderungen in ihrer Struktur. Eine Ausnahme bildete die bakterielle Aktivität: hier war bis zum Ende des Experiments (6 Monate) ein deutlicher hemmender Effekt von allen Behandlungen zu beobachen. Bis auf die Taxa-Zusammensetzung der Bakterien, reagierte keiner der gemessenen mikro- bzw. meiobenthischen Parameter spezifisch auf Nanoaggregate. Nun zeigten die letztlich im Feldversuch verwendeten Goethit-Nanoaggregate (mit Huminsäuren) eine deutlich geringere Toxizität (Faktor 20) im Toxizitätstest mit C. elegans als die im Mikrokosmenversuch verwendeten Fh_NA. Betrachtet man noch die rasche Verdünnung der eingebrachten FeOx-NA im Aquifer, ist durch die Injektion von geeigneten FeOx (z.B. Goethit-NA mit Huminsäuren) das Risiko für ökologische Schäden sehr gering. Die Toxizitätsuntersuchungen mit Grundwasserproben haben diese ökotoxikologische Risikoeinschätzung bestätigt.

Publikation, die aus dem Forschungsvorhaben entstanden sind:

Höss S, Frank-Fahle B, Lüders T, Traunspurger W (2015) Response of bacteria and meiofauna to iron oxide colloids in sediments of freshwater microcosms. Environ Toxicol Chem 34, 2660–2669. Höss S, Fritzsche A, Meyer C, Bosch J, Meckenstock RU, Totsche KU (2015) Size- and composition-dependent toxicity of synthetic and soil-derived Fe oxide colloids for the nematode Caenorhabditis elegans. Environ Sci Technol 49, 544–552.