| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Kemisk/biologisk filter til nedbrydning af klorerede opløsningsmidler i grundvand

6 Appendix 2: Biologisk nedbrydning af klorerede ethener

Der er i litteraturen mange eksempler på, at de klorerede ethener kan nedbrydes mikrobiologisk (bakterier, svampe og gær) til mindre eller ikke toksiske stoffer. Det optimale slutprodukt er kuldioxid og vand. I det efterfølgende vil der også blive fokuseret på nedbrydningen til ethen og ethan, da det vurderes, at det kritiske aspekt i forhold til toksikologi og hastigheder er, hvordan de klorerede ethener nedbrydes til ethen/ethan.

Ved gennemgang af litteratur om bionedbrydning af klorerede ethener er det overordnede billede, at forudsætningerne for en nedbrydning kan være vidt forskellige, og at der er mange parametre, der har indflydelse på nedbrydningen.

6.1 Nedbrydningsprocesser

Figur 1:
Direkte aerob oxidation, /16/. CAH = Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons

Ved cometabolistisk aerob oxidation sker nedbrydningen af de klorerede ethener via et enzym eller cofaktor, som er produceret i forbindelse med mikrobiel metabolisme af andre forbindelser (se figur 2). Den mikroorganisme, der producerer enzymet eller cofaktoren, får ikke selv energi eller vækstgevinst ved nedbrydning af de klorerede ethener. Observerede substrater/elektrondonorer for reaktionen inkluderer methan, ethan, ethen, propan, butan, toluen, phenol og ammoniak /16/. Et monooxygenase enzym formidler reaktionen for elektron donation, som formentlig omdanner den klorerede ethen til et epoxid, der er ustabilt, og som hurtigt vil omdannes til alkoholer og fedtsyrer. Denne reaktionsvej er vist for både TCE, DCE og VC /16/.

Figur 2:
Cometabolistisk aerob nedbrydning, /16/

Ved direkte anaerob reduktiv deklorinering fungerer de klorerede ethener som elektronacceptor, hvor mikroorganismerne opnår et energiudbytte eller vækst, når et eller flere af kloratomerne på ethenen substitueres med brint (se figur 3). I reaktionen fungerer brint som direkte elektrondonor, men i de fleste forsøg introduceres brint indirekte ved fermentering af organiske substrater. Denne reaktionsvej er vist for både PCE, TCE, DCE og VC /16/. I henhold til /21/ er der isoleret ca. ti forskellige bakterier, som kan koble reduktiv deklorering af PCE til vækst.

Figur 3:
Anaerob reduktiv deklorinering af PCE, /16/.

Ved anaerob cometabolistisk reduktiv deklorinering sker substitueringen af klor med brint via et enzym eller cofaktor, som er produceret i forbindelse med mikrobiel metabolisme af andre forbindelser. Den mikroorganisme, der producerer enzymet eller cofaktoren, får ikke selv energi eller vækst gevinst ved substitutionen. Denne reaktionsvej er vist for både PCE, TCE, DCE og VC /16/.

Bagerst er vedlagt datablade fra /16/ om udvalgte informationer om klorerede alifater.

Nedenstående er angivet en oversigt over de typisk forekommende nedbrydningsmekanismer for de klorerede ethener.

Figur 4:
Typiske nedbrydningsmekanismer, /16/.

Overordnet kan de klorerede ethener nedbrydes både aerobt og anaerobt. Den generelle holdning ved en netop afholdt konference i Utrech, Holland /15/ var, at PCE ikke nedbrydes aerobt, og at DCE og VC nedbrydes hurtigst under aerobe forhold.

6.2 Nedbrydningsparameter

6.2.1 Mikroorganismer

I litteraturen er der flere holdninger til, hvilke mikroorganismer der skal bruges til nedbrydning af klorerede ethener, og om eller hvordan de skal introduceres til en oprensning både in-situ og ex-situ. Hvilke mikroorganismer, der deltager i en given nedbrydning, afhænger selvfølgelig af de kemiske kårfaktorer; er der aerobe eller anaerobe forhold, hvor høj er temperaturen (er det mesofile eller thermofile bakterier) osv.

Der er nogle, der mener, at f.eks. methanoxiderende bakterier eksisterer alle vegne, og det er således et spørgsmål om at stimulere væksten af disse for at få en nedbrydning af de klorerede ethener. Andre har først påvist en nedbrydning, efter at der er tilført bakteriekulturer, f.eks. rendyrkede, fra andre lokaliteter (hvor der er påvist nedbrydning), slam fra renseanlæg, papirindustrien mv.. Endvidere påpeger /20/, at gensplejsede bakterier måske er den bedste løsning.

I dette projekt vil vi ikke undersøge, hvilke mikroorganismer der forestår den nedbrydning, som vi forhåbentlig påviser. I /41/ er angivet links til nedbrydningsveje for PCE og TCE, og her er nogle af de involverede bakterier beskrevet.

I forhold til de fire nedbrydningsmåder (aerob og anaerob hhv. direkte og cometabolistisk) må det optimale være, hvis den direkte nedbrydning fremmes, idet den formodentlig er hurtigere end cometabolistisk nedbrydning, da der springes et led over nemlig dannelsen af enzymet/cofaktoren. Cometabolistisk nedbrydning er således langsommere end direkte nedbrydning, hvilket måske skyldes den manglende "vækst" ved processen. Omvendt er det spørgsmålet, om den direkte nedbrydning er effektiv nok ved små koncentrationer af de klorerede opløsningsmidler, da det her bliver svært at opretholde en tilstrækkelig biomasse.

Det skal dog påpeges, at mikroorganismer sjældent eksisterer og virker som enkelte specier. Derimod virker de tit kollektivt i kolonier. Dette sammenholdt med, at der på mikroskala ofte er varierende kemiske kårfaktorer, betyder, at nedbrydningen af de klorerede ethener ofte er et sammenspil mellem flere kulturer.

6.2.2 Høje koncentrationer

Koncentrationen af de klorerede ethener kan være så stor, at den inhiberer nedbrydningen eller er toxisk for mikroorganismerne. I litteraturen er der stor forskel på, hvor store koncentrationer, der kan nedbrydes. Dette er forårsaget af flere ting, hvilke bakteriekulturer der er tilstede, koncentrationen af klorerede ethener, pH, koncentrationen af metaller, substratkoncentrationen, salinitet, temp, mv.

Der er dog eksempler på, at der kan nedbrydes høje koncentrationer af klorerede ethener. I /18/ er påvist nedbrydning af TCE koncentrationer på op til 236 mg/l ved anvendelse af spise olier som substrat.

Ved blandinger af de forskellige klorerede ethener kan de inhibere nedbrydningen af hinanden. Dette er bl.a. påvist af Arwin et al. /17/.

Selve substrat koncentrationen kan også inhibere omsætningen af de klorerede ethener, dette er bl. a. beskrevet af /19/

6.2.3 Substrat

I litteraturen er der mangfoldige eksempler på tilsatte substrater. Der er påvist nedbrydning af klorerede ethener ved anvendelse af methan, brint, methanol, ethanol, ethen, ethan, propan, fedtsyre, melasse, glycose, acetat, lactate, formate, phenol, toluen, spiselige olier, kompost-perkolat, gær ekstrakt mv.

For mange af substraterne gælder det, at de ved den anaerobe nedbrydning fungerer som primære elektrondonor for elektronoverførelse til molekylært brint, som så bruges af de dehalogenerende bakterier som elektrondonor. Dannelsen af brint kan udføres af andre bakterier end de dehalogenerende.

Valg af substrat er et spørgsmål om at favorisere de deklorerende bakterier. Bl. a. anfører /22/, at ethanol er attraktiv som substrat, da det i modsætning til andre substrater som f. eks. glucose, er et dårligt substrat for de konkurrerende anaerobe mikroorganismer, specielt de methanogene. I /23, 24/ anføres, at vælges der et substrat, som kan frigive brint langsomt fås en selektiv fordel for de deklorerende populationer. Som et kuriosum kan nævnes, at dette også er princippet i HRC (Hydrogen Release Compounds).

I /28/ angives, at som alternativ til de organiske substrater kan brint tilsættes direkte. Derved undgås et hastighedsbegrænsende trin nemlig fermentationen.

6.2.4 Konkurrence om brint

Som omtalt kan anaerobe bakterier anvende brint som elektrondonor ved nedbrydning af klorerede ethener, men der er en stor konkurrence mellem de dehalogenerende bakterier og methanogene bakterier. De methanogene bakterier kræver dog højere brint koncentrationer end de dehalogenerende /23, 24, 25/. Det vil sige, at ved en langsom dannelse/frigivelse af brint favoriseres de dehalogenerende bakterier.

De methanogene bakterier favoriseres ved høje brint koncentrationer, da methanogene populationer her har en højere vækstrate end de dehalogenerende. I /23/ angives, at i koncentrationsintervallet mellem 1,61 x 10^-5 g/m³ (opløst brint), hvor både de methanogene og dehalogenerende bakterier er aktive, og 3,02 x 10-6 g/m³, som er tærskel værdien for dehalogenering, antages det, at der kun foregår dehalogenering.

6.2.5 Temperatur og pH

Generelt vil temperaturen have en indflydelse på nedbrydning af de klorerede ethener. Ud fra litteraturen har det ikke på nuværende tidspunkt været muligt at danne et entydigt billede. Dog vil den maximale vækst rate være temperaturafhængig /26/, mens PCE dekloreringskoefficienten i /26/ viste en lille temperaturafhængighed.

I /27/, hvor de brugte streng BB1 (tilhører desulfuromonas gruppen) og inkuberede ved 25, 30 og 35 Co påvirkede temperaturen kun lagfasen men ikke vækstraten.

Også pH kan have indflydelse på nedbrydningspotentialet. I /38/ angives, at for det større spektrum af bakterier er neutral pH det bedste, og bl.a. angiver /22/, at halosprillum multivorans deklorerer bedst ved neutralt pH.

6.2.6 Nedbrydningsprodukter

Mange af de forsøg, der er beskrevet i litteraturen, påviser en nedbrydning af PCE og TCE, men der sker samtidig en akkumulering af DCE og VC. Dette er selvfølgelig ikke hensigtsmæssigt, da disse stoffer er mindst lige så toksiske og om end endnu mere toksiske end PCE og TCE. Bl.a. er VC klassificeret som kræftfremkaldende, mens de tre andre er mistænkte for at være kræftfremkaldende.

I mange forsøg omdannes PCE til f.eks ethen, men det tager ofte lang tid, hvis nedbrydningen foregår under anaerobe betingelser. At det er problematisk at omdanne PCE til ethen skyldes, at kulstof ændrer oxidationstrin i processen. Firkantet sagt er PCE og TCE elektronacceptorer, mens DCE og VC er elektrondonorer.

Af /29/ fremgår det, at det er vigtigt at holde redoxpotentialet (de kalder det oxidation-reduction potential (ORP)) lavt. Ved et ORP på -100 til -350 mV fik de nedbrudt PCE og TCE til DCE og VC. Men ved at sænke ORP til -500 til -700 mV v. h. a. metal pulver kunne de få en nedbrydning af PCE og TCE til ethen og ethan.

Det generelle billede vi har fundet frem til i forhold til at få en optimal nedbrydning af de klorerede ethener er, at kombinere en anaerob fase, hvor PCE og TCE nedbrydes, med en aerob fase hvor DCE og VC nedbrydes. Dette praktiseres da også flere steder.

Det skal dog nævnes, at i /36/ angives, at nedbrydningsraten af VC under anaerobe forhold i et feltforsøg var tæt på at være den samme som nedbrydningsraten af VC under aerobe forhold.

Udvalgte informationer om klorerede etheners nedbrydningsmekanisme

Se her!