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Elektronentransferprozesse im anoxischen Aquifer, Teilprojekt SP ZWI: Bildung, Rolle und Analytik von Metaboliten bei Transformationsprozessen organischer Substanzen im anoxischen Aquifer (ETRAP / e-TRAP)

Elektronentransferprozesse im anoxischen Aquifer, Teilprojekt SP ZWI: Bildung, Rolle und Analytik von Metaboliten bei Transformationsprozessen organischer Substanzen im anoxischen Aquifer (ETRAP / e-TRAP)
Ansprechpartner:

Christian Zwiener

Projektgruppe:Teilprojekt
Förderung:

DFG

Laufzeit

2006 – 2009

Beschreibung

Elektronentransferprozesse im anoxischen Aquifer
Teilprojekt SP ZWI:
Bildung, Rolle und Analytik von Metaboliten bei Transformationsprozessen organischer Substanzen im anoxischen Aquifer

(ETRAP / e-TRAP)

Die Entwicklung von anoxischen Bedingungen im Grundwasserleiter (Aquifer) ist ein häufiges Phänomen, welches auf das dort nur begrenzte Angebot an Sauerstoff zurückzuführen ist. Dies hat zur Folge, dass anaerobe Prozesse im Aquifer eine weit wichtigere Rolle beim Abbau und der Zersetzung von organischem Material spielen als aerobe. Das Wissen über die Hintergründe und Mechanismen des Elektronenflusses unter diesen Bedingungen ist jedoch sehr lückenhaft. Grundlegende Kenntnisse über die ablaufenden Prozesse im Grundwasserleiter sind z.B. im Hinblick auf die Trinkwassergewinnung aus Grundwasser oder den dortigen Abbau von Schadstoffen sehr wichtig.

Ziel dieser Forschergruppe ist es, die Elektronentransferprozesse und deren Einflussgrößen zu untersuchen und grundlegende Konzepte über den Elektronenfluss im anoxischen Aquifer zu entwickeln. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Elements Eisen, das in vielen Aquiferen als die redox-aktive Spezies angesehen wird und eng gekoppelt ist mit den Redoxzuständen der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel.

Die beteiligten Forschungsgruppen beschäftigen sich mit der Rolle der eisenhaltigen Mineralien (HAD), den Redoxprozessen von Huminstoffen (KAP), der Kopplung des Eisen- und Schwefelkreislaufs (PEI), den unterschiedliche Redoxzonen im Aquifer (RIC), dem Elekronentransferprozess durch Mikroorganismen (MEC) und der Rolle organischer Metabolite (ZWI).

Einen Überblick über die Struktur der Forschergruppe bietet Abbildung 1. Weiterführende Informationen und Hintergründe finden Sie hier.

 

Abbildung 1: Struktur der Forschergruppe

Teilprojekt SP ZWI:
Bildung, Rolle und Analytik von Metaboliten bei Transformationsprozessen organischer Substanzen im anoxischen Aquifer

Innerhalb des Teilprojekts, das am Lehrstuhl für Wasserchemie des Engler-Bunte-Instituts bearbeitet wird, stehen die bei Abbauprozessen organischer Stoffe (z.B. aromatische oder heterozyklische Schadstoffe) gebildeten Metaboliten im Mittelpunkt.

Spezielle biochemische und cometabolische Pfade des anaeroben mikrobiellen Abbaus von Schadstoffen können einzigartige Zwischenprodukte (Metabolite) bilden. Diese Metabolite können als Indikatoren genutzt werden um Elektronentransferprozesse in situ nachzuweisen. Derivate des Arylsuccinats zum Beispiel haben sich als universelle Biomarker des anaeroben Abbaus von Toluol, Xylol, Ethylbenzol sowie Naphthalin herauskristallisiert. Sie konnten sowohl in Laborversuchen als auch in Proben aus verschiedenen Aquiferen nachgewiesen werden. Aber weder ihr Auftreten und ihre Verteilung in der Umwelt noch die geochemischen Parameter, die ihre Bildung beeinflussen sind bisher systematisch untersucht worden.

Diese Parameter sollen in Laborversuchen mit anaeroben Bakterienkulturen aus einem kontaminierten Aquifer sowie durch die Analyse von Proben aus Grundwasserleitern innerhalb des Teilprojektes erforscht werden.

Folgende Ziele werden in diesem Teilprojekt verfolgt:

  • Untersuchung des Auftretens und der Verteilung der Metabolite unter verschiedenen Bedingungen
  • Aufklärung der Rolle der Metabolite bei Elektronentransferprozessen
  • Nutzung der Metaboliten als Bioindikatoren für den Abbau von Schadstoffen


Zur Analytik der verschiedenen Verbindungen werden unterschiedliche Techniken verwendet. Die weitgehend polaren und wasserlöslichen Metabolite (z.B. org. Säuren) werden nach vorangegangener Festphasenanreicherung (SPE) mit LC-ESI/MS/MS analysiert, die eher unpolaren Ausgangsverbindungen (Aromaten, Heterozyklen) werden nach vorgeschalteter flüssig-flüssig Extraktion am GC/MS detektiert.

Projektpartner

  • Universität Tübingen, Institut für Geowissenschaften, Bereich Umweltmineralogie, Prof. Dr. S. Haderlein
  • Universität Bayreuth, Institut für Hydrologie, Prof. Dr. S. Peiffer
  • Universität Tübingen, Institut für Geowissenschaften, Bereich Geomikrobiologie, Dr. A. Kappler
  • UFZ Leipzig (Helmholtz Zentrum für Umweltforschung), Department Isotopenbiogeochemie, Dr. habil. H. Richnow
  • GSF München (Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit), Institut für Grundwasserökologie, Prof. Dr. R. Meckenstock
  • Universität Karlsruhe, Engler-Bunte-Institut, Bereich Wasserchemie, PD Dr. Zwiener