Remediation of PCB-contaminated soils - Risk analysis of biological in situ processes

Abstract

Biological in situ measures can be efficient and cost effective options for the remediation of contaminated sites. However, the accepted application requires a detailed and reliable analysis of potential impacts. An important objective is to quantify the potential of contaminant degradation and metabolite formation. This thesis addresses a quantitative multimedia risk assessment. Methodologies and tools were developed for this objective and applied to evaluate in situ bioremediation of soils contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs). Soil bacteria in conjunction with plant roots were addressed (rhizoremediation) with a focus on the use of genetically modified microorganisms (GMOs). PCBs are known to be harmful compounds that are ubiquitously distributed in the environment. PCB contaminations in soil and groundwater were identified as important problems. 209 different congeners are sterically possible, but not all are of environmental significance. PCB congeners of concern were evaluated with respect to their potential toxicity, environmental occurrence and mobility. For this objective, congener specific data on the toxicity potential and the frequency in environmental matrices were collected. To quantify the mobility potential, multimedia modelling was performed applying deterministic and probabilistic procedures. 56 PCB congeners of concern were evaluated, and multimedia risk assessments of PCB-contaminated soils should concentrate on this group. Kinetics parameters were specified for degradation experiments with individual PCB congeners in solution and different bacterial strains. These laboratory assays were performed with wild-type Burkholderia sp. strain LB400 and the genetically modified Pseudomonas fluorescens strains F113pcb and F113L::1180. The F113 derivatives demonstrated a good survival ability in willow (Salix sp.) rhizosphere (mesocosm experiments). Therefore, and due to high depletion rates, rhizoremediation with F113L::1180 and willow plants might be a promising approach. Degradation kinetics in soil was estimated, but it is associated with a high uncertainty. The relation of degradation kinetics in laboratory (solution) to field conditions (soil) necessitates further research. Results of exemplary modelling were sensitive to estimated removal velocities, and especially to variable bacterial numbers in soil. A multimedia model was set up to estimate biodegradation and metabolite formation, fate and transport of contaminants and risks arising from the exposure to contaminated media. With this model, deterministic and probabilistic calculations (performing Monte Carlo simulations) were carried out to generically evaluate rhizoremediation of PCB contaminated soil. Results indicate a clear potential for risk reduction associated to the use of F113L::1180 and willow plants. PCB was effectively reduced by the investigated strains but nonetheless, chlorobenzoic acids (CBAs) as degradation products of concern revealed a high importance for the aquatic pathway (leaching, groundwater transport, mixing with surface water) and the uptake into plants. Thus, drinking water wells should be located in a sufficient distance to the source (5 km at least as a conservative estimate for the studied scenario). However, high uncertainty remains for the degradation potential of PCB mixtures in soils. Risks associated to the investigated GMOs are expected to be very low. Results of laboratory experiments with F113 derivatives and field release tests with non-GM F113 strains gave no significant hint on uncontrolled bacterial spreading. Observed gene transfer rates were very low, as the introduced bph trait is stably inserted into the chromosome of F113. Potential impacts of GMOs on microbial soil communities also were very low, but there was a shift in rhizosphere populations. Uncertainty is given for possible long-term effects, especially for gene transfer processes and impacts on soil bacteria, and for potential adverse effects on other soil organisms. Potential field release applications of in situ bioremediation using GMOs require performance control in the source zone (to ensure the functionality of the degradation process) and compliance monitoring, addressing contaminants, metabolites and GMOs. Detailed guidelines were compiled for respective tasks.

Biologische in situ- Sanierungsverfahren können effektive und kostengünstige Optionen darstellen. Die Akzeptanz entsprechender Maßnahmen setzt eine detaillierte und verlässliche Untersuchung möglicher Risiken voraus. Eine wichtige Aufgabe kommt hierbei der Quantifizierung des Abbaupotenzials bzw. der Metaboliten-Entstehung zu. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden und Modellwerkzeuge für eine quantitative multimediale Gefährdungsabschätzung erstellt. Damit wurde eine biologische in situ- Sanierung kontaminierter Böden bewertet, die eine erhöhte Konzentration von Polychlorierten Biphenylen (PCBs) aufweisen. Das untersuchte Verfahren beruht auf dem Einsatz aerober Bodenbakterien, die im Wurzelraum bestimmter Pflanzen leben (sog. Rhizoremediation). Einen Schwerpunkt hierbei bildete die Verwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen (GMOs). PCBs sind eine wichtige Gruppe von Schadstoffen, die weit in der Umwelt verbreitet sind. PCB-Kontaminationen in Böden und Grundwasser haben sich als schwerwiegende Probleme herausgestellt. 209 unterschiedliche Kongenere sind sterisch möglich, jedoch nicht alle sind von Relevanz. Umweltrelevante Stoffe wurden hinsichtlich ihres toxischen Potenzial, ihrer Verbreitung in der Umwelt und ihrer Mobilität ermittelt. Dabei wurden kongener-spezifische Daten zur Toxizität und zur Häufigkeit in Umweltmedien gesammelt und das Mobilitätspotenzial mit Hilfe multimedialer Modellierung, basierend auf deterministischen und probabilistischen Ansätzen quantifiziert. Die Untersuchung ergab eine Gruppe von 56 relevanten PCB Kongeneren, die für Gefährdungsabschätzungen PCB-kontaminierter Standorte betrachtet werden sollten. Für Abbauexperimente mit einzelnen PCB Kongeneren in Lösung und unterschiedlichen Bakterien-Stämmen wurden kinetische Parameter angepasst. Die Experimente erfolgten mit dem natürlich vorkommenden Stamm Burkholderia sp. LB400 und den GMOs Pseudomonas fluorescens F113pcb und F113L::1180. Die F113-Derivate erwiesen ein gute Überlebensfähigkeit in der Rhizosphäre von Weiden (Salix sp.; Ergebnisse von Mesokosmos-Experimenten). Dadurch, und durch die hohen Abbauraten erscheint die Feldverwendung von Rhizoremdiation mit F113L::1180 in Weidenwurzeln als ein vielversprechender Ansatz. Abbauprozesse im Boden wurden abgeschätzt, gehen jedoch mit einer hohen Unsicherheit einher. Hinsichtlich der Übertragung der Abbaukinetik von der Laborlösung auf Bodenverhältnisse besteht weiterer Forschungsbedarf. Die Ergebnisse einer exemplarischen Modellierung weisen eine hohe Sensitivität ermittelter Abbaugeschwindigkeiten und insbesondere variabler Bakterienzahlen im Boden auf. Ein multikompartimentelles Schadstoffausbreitungs-, Expositions- und Risikoabschätzungsmodell wurde erstellt, das die Modellierung des Bioabbaus und der Metaboliten-Bildung berücksichtigt. Mit diesem Modell erfolgte eine generische Auswirkungsprognose hinsichtlich eines hypothetischen Feldeinsatzes von Rhizoremdiation mit F113L::1180 und Weidenpflanzen, für die Sanierung PCB-kontaminierten Bodens. Entsprechende Berechnungen erfolgten deterministisch und probabilistisch (Monte Carlo- Simulationen). Die Ergebnisse dieser Abschätzung sprechen für ein deutliches Risiko-Reduktionspotenzial durch das Verfahren. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Chlorbenzoate als relevante PCB-Abbauprodukte von großer Bedeutung für den aquatischen Pfad (Versickerung, Grundwassertransport, Eintrag in Oberflächengewässer) und für die Aufnahme in Pflanzen sind. Deshalb sollten Trinkwasser-Brunnen eine ausreichende Distanz zum Reaktionsraum aufweisen (mindestens 5 km in einer konservativen Abschätzung für das betrachtete Szenario). Eine hohe Unsicherheit bleibt jedoch bezüglich des Reduktionspotenzials von PCB-Gemischen in Böden. Risiken, die mit einer möglichen Freisetzung der untersuchten GMOs einhergehen erscheinen als sehr niedrig. Laborexperimenten mit F113-Derivaten und Freisetzungsversuche mit gentechnisch unveränderten F113-Stämmen gaben keine Hinweise auf eine unkontrollierte bakterielle Ausbreitung. Die beobachteten Gentransfer-Raten waren sehr gering, da die den PCB-Abbau induzierende Gensequenz stabil in das Chromosom der F113-Stämme eingefügt ist. Potenzielle Auswirkungen auf die Mikroflora im Boden sind ebenfalls sehr gering, allerdings wurde eine Veränderung in der Zusammensetzung mikrobieller Rhizosphären-Populationen festgestellt. Unsicherheiten bestehen bezüglich möglicher Langzeiteffekte, insbesondere für Gentransferprozesse und die Beeinträchtigung natürlicher Bodenbakterien, sowie etwaige Auswirkungen auf andere Bodenorganismen. Ein potenzieller Feldeinsatz von in situ- Verfahren mit gentechnisch veränderten Bakterien erfordert umfangreiche Maßnahmen zur Prozesskontrolle und Schutzgutüberwachung, die sowohl die Schadstoffe und deren Abbauprodukte als auch die GMOs umfassen. Für diese Aufgaben wurden detaillierte Richtlinien erstellt.