Spatial and temporal dynamics of biogeochemical gradients in a tar oil-contaminated porous aquifer [Elektronische Ressource] : biodegradation processes revealed by high-resolution measurements / vorgelegt von Bettina Anneser

Bettina.Anneser

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: English
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Extrait

Spatial and temporal dynamics of biogeochemical
gradients in a tar oil-contaminated porous aquifer –
biodegradation processes revealed by
high-resolution measurements







Dissertation

zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften





der Geowissenschaftlichen Fakultät
der Eberhard Karls Universität Tübingen













vorgelegt von
Bettina Anneser
aus Trostberg

2008






















Tag der mündlichen Prüfung: 25.07.2008

Dekan: Prof. Dr. Peter Grathwohl
1. Berichterstatter: Prof. Dr. Rainer U. Meckenstock
2. Berichterstatter: Prof. Dr. Peter Grathwohl






































Abstract
Abstract

The transport and distribution of organic contaminants in porous aquifers are subject
to groundwater-sediment interactions and underlie a variety of physical-chemical and
microbiological reactions, such as biodegradation. The complexity of these processes is
aggravated by heterogeneities of the sediment matrix and fluctuating environmental
conditions. Comprehensive knowledge of the hydrogeology and biogeochemistry of a given
site and of the factors limiting biodegradation is therefore crucial for a reasonable implication
of remediation concepts.
Numerical simulations and lab experiments revealed biodegradation processes to take
place predominantly at the fringes of organic contaminant plumes, where transverse
dispersion provides mixing of electron donors from the plume center with electron acceptors
from the adjacent groundwater. In the resulting transition zone, which is restricted to a small
area in the centimeter range, pronounced bioactivities are indicated by steep gradients of
redox-sensitive parameters. In contrast to well controllable numerical and experimental
models, sampling in aquifers is tainted with considerable financial and technical efforts. The
monitoring of contaminated sites is therefore mostly restricted to groundwater analyses
performed at an insufficient temporal and spatial scale, which conceal detailed information on
the localization and relevance of individual redox processes as well as on rates and limitations
of biodegradation.
By means of a novel high-resolution multi-level groundwater well, biodegradation
processes in a tar oil-contaminated porous aquifer could be investigated for the first time at an
appropriate scale with a vertical resolution of down to 2.5 cm. From the comparison of steep
fine-scale gradients of electron donors, electron acceptors and metabolites, sulfate and iron
reduction could be identified as the dominant biodegradation processes with highest activities
at the fringe of the contaminant plume. In individual zones of the contaminated aquifer these
two redox processes were observed to take place simultaneously instead of following a
defined order according to their thermodynamic efficiency. High cell numbers as well as
increased activities of extracellular enzymes and bacterial carbon production at the plume
fringe substantially support the concept of mixing-controlled biodegradation. These patterns
are further underlined by a significant shift in stable isotope signatures of dissolved toluene
13 34 18( δ C) and sulfate ( δ S, δ O) concomitant with decreasing concentrations, thus pointing at
the relevance of transverse dispersion. At the same time, however, gradients at our sampling
site frequently displayed zones where BTEX and sulfate overlapped, which hints at additional
limitations, such as toxicity of pollutants or biokinetic constraints.
The redox processes identified from groundwater samples were additionally evaluated in
comparison to freshly collected sediment samples. The results emphasize the role of
sediments as “long term archives”, which – in contrast to “snapshots” gained from
groundwater analysis – provide insight into the history of biogeochemical processes. In
addition, conclusions on aquifer heterogeneity and on the complexity of the site were inferred
from comparative analysis of groundwater and sediment data.
Unlike often assumed, groundwater systems do not represent static and inanimate
environments, but rather are subject to pronounced spatial and temporal dynamics, as could
be demonstrated by recording the variability of biogeochemical gradients and related redox
processes over a period of almost two years. First insights into the adaptive capacities of
microbial communities towards changing environmental conditions and their effects on the
degradation potential of the bacteria could be obtained.
The data presented in this thesis provide a fundamental amelioration for the validation
and advancement of reactive transport models, which are indispensable in practice for
evaluating biodegradation processes and the applicability of natural attenuation concepts.




Zusammenfassung
Zusammenfassung

Der Transport und die Verteilung organischer Schadstoffe in porösen
Grundwasserleitern unterliegen einer Vielzahl physikalisch-chemischer und
mikrobiologischer Reaktionen sowie Wechselwirkungen zwischen Grundwasser und
Sediment. Die Komplexität dieser Prozesse wird zusätzlich verstärkt durch Heterogenitäten
der Bodenmatrix und schwankende Umweltbedingungen. Eine umfassende Kenntnis sowohl
der Hydrogeologie und Biogeochemie des Standortes als auch der abbaulimitierenden
Faktoren ist daher unabdingbare Voraussetzung für eine effiziente Umsetzung von
Sanierungskonzepten, die auf natürlichen Selbstreinigungsprozessen (gemeinhin als „Natural
Attenuation“ bezeichnet) basieren. Numerische Simulationen und Laborexperimente in
Mikrokosmen haben gezeigt, dass sich biologische Abbaureaktionen in gesättigten
Grundwasserleitern überwiegend an den Rändern organischer Schadstofffahnen abspielen.
Dort wird durch transversale Dispersion eine Mischung von Elektrondonoren aus dem
Fahnenzentrum und Elektronenakzeptoren aus dem umgebenden Grundwasser gewährleistet.
In der entstehenden Übergangszone - auf einen schmalen Saum von wenigen Zentimetern
begrenzt - ist die Bioaktivität im Vergleich zu umliegenden Bereichen deutlich erhöht, was
durch steile Gradienten redoxrelevanter Parameter ersichtlich wird. Anders als gut
kontrollierbare numerische und experimentelle Modelle stellen Grundwasserleiter jedoch
offene und schwer zugängliche Systeme dar, deren Beprobung mit erheblichem technischem
und finanziellem Aufwand verbunden ist. Das Monitoring von Schadensfällen beschränkt sich
somit in den meisten Fällen auf Grundwasseranalysen in grober zeitlicher und räumlicher
Auflösung, die keine detaillierten Aussagen über die Lokalisierung und Relevanz
individueller Redoxprozesse sowie Limitierungen und Raten des Schadstoffabbaus erlauben.
Mit Hilfe einer speziell konstruierten Multi-Level-Grundwassermessstelle konnten
abbaurelevante Prozesse in einem mit Teeröl kontaminierten porösen Grundwasserleiter
erstmalig mit einer vertikalen räumlichen Auflösung von bis zu 2,5 cm untersucht werden.
Anhand steiler Gradienten von Elektronendonoren, Elektronenakzeptoren und
Abbauprodukten wurde gezeigt, dass die am Schadstoffabbau maßgeblich beteiligten
Prozesse (Sulfat- und Eisenreduktion) im gesamten Bereich der Schadstofffahne, am
ausgeprägtesten jedoch an deren Rand auftreten. In bestimmten Zonen wurde außerdem
beobachtet, dass die Redoxprozesse häufig gleichzeitig ablaufen anstatt einer definierten
Abfolge entsprechend ihrer thermodynamischen Effizienz zu folgen.
Hohe Zellzahlen sowie erhöhte Enzymaktivitäten und Produktivitäten im
Fahnenrandbereich stützen das Konzept des mischungskontrollierten Schadstoffabbaus im
Aquifer. Ebenso bestätigt ein signifikanter Anstieg der Isotopensignaturen von in
13 34 18Grundwasser gelöstem Toluol ( δ C) und Sulfat ( δ S, δ O) bei gleichzeitig abnehmenden
Konzentrationen in diesen Übergangszonen die Rolle der transversalen Dispersion als
maßgeblichen abbaulimitierenden Faktor. Gleichzeitig weisen jedoch Überlappungsbereiche
von Schadstoffen und Elektronenakzeptoren auf zusätzliche Limitierungen hin, welche von
der Toxizität der Schadstoffe bis hin zu kinetisch bedingten Restriktionen sehr vielfältiger
Natur sein können.
Des Weiteren konnten die im Grundwasser identifizierten Redoxprozesse mit räumlich
hochaufgelösten Sedimentdaten abgeglichen werden. Dabei wurde die Bedeutung der
Bodenmatrix als „Langzeit-Archiv“ aufgezeigt, das - anders als aus dem Grundwasser
gewonnene „Momentaufnahmen“ - Einblicke in die Historie des Schadstoffabbaus am
Standort gewährt. Der Vergleich kleinräumiger Vertikalprofile von Grundwasser- und
Sedimen