Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1473
Main Title: Einflussfaktoren auf die Mobilisierbarkeit von PCB und PAK in Rieselfeld-Bodenproben
Translated Title: Factors influencing the mobilization of PCB and PAH in soil samples of a former waste water infiltration site
Author(s): Becker, Romy
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Anthropogen beeinflusste, urbane Böden, wie das Rieselfeld Berlin-Buch, enthalten oft eine Vielzahl organischer und anorganischer Schadstoffe in hohen Konzentrationen. Eine Wiedernutzung dieser Flächen, z.B. als Erholungsgebiete, beinhaltet ein großes Risiko für die Umwelt und höhere Organismen, da Einflussfaktoren auf das Desorptionsverhalten der verschiedensten Schadstoffe, vor allem der hydrophoben organischen Substanzen (HOC), nur wenig bekannt und zugrunde liegende Mechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt sind. In der vorliegenden Arbeit wurden daher verschiedene Faktoren (Salze, Temperatur und Enzyme) untersucht, die derart auf die Struktur des organischen Bodenmaterials (SOM) einwirkten, dass die Mobilisierbarkeit der daran angelagerten HOC verändert wurde. Das Freisetzungsverhalten von insgesamt 57 Einzelsubstanzen, zu denen 4 PAK, 33 PCB und 20 OH-PCB zählten, wurde in Elutionsversuchen untersucht, die unter kinetisch kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt wurden. Die Ergebnisse ermöglichen Aussagen über die Beeinflussung der Desorptionsmechanismen und Mobilisierbarkeit dieser Schadstoffe im Vergleich zum Freisetzungsverhalten des gesamten organischen Materials (DOC). Als Referenzbedingung wurde die Elution des Rieselfeldbodens mit deionisiertem Wasser bei 15 °C definiert. Hierbei zeigte sich, dass, bezogen auf die Gesamtgehalte der Stoffe im Boden, jeweils die polarsten Vertreter der drei untersuchten Schadstoffgruppen (PAK 1, DiCl-OHBP und DiCl-BP) die höchsten Freisetzungsraten aufwiesen und die Mobilisierbarkeit der Substanzen mit sinkender Polarität innerhalb einer Schadstoffgruppe abnahm. Dies deutet auf einen starken Einfluss thermodynamischer Faktoren auf die Desorptionsprozesse innerhalb einer Schadstoffgruppe hin. Beim Vergleich der drei Schadstoffgruppen wurde allerdings deutlich, dass anhand spezifischer Stoffeigenschaften wie der Polarität, das Desorptionsverhalten strukturell verschiedener Stoffe nicht ausreichend beschrieben werden kann, da beispielsweise die OH-PCB im Vergleich zu den hydrophileren PAK höhere Freisetzungsraten aufwiesen. Eine Korrelation des Desorptionsverhaltens von einer Schadstoffgruppe auf eine andere ist daher nur in Annäherung möglich. Die Elution der Bodenproben mit verschiedenen 50 mM Salzlösungen (NaNO3, Ca(NO3)2 und einem NaH2PO4/Na2HPO4-Puffer) führte im Vergleich zur Elution des Bodens mit deionisiertem Wasser zu gesteigerten Freisetzungsraten der organischen Stoffe durch den Phosphat-Eluenten und zu einer verringerten Mobilität durch den Calcium-Eluenten. Der Natrium-Eluent hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Schadstofffreisetzung. Die Abfolge der Elutionsstärken lässt sich sowohl für das gesamte organische Material als auch für die HOC über die Wechselwirkungen der gelösten Elektrolyte mit dem überwiegend anionischen organischen Bodenmaterial erklären. Die Veränderung der Temperatur verursachte keine statistisch signifikanten Unterschiede der Freisetzungsraten einzelner Schadstoffgruppen. Allerdings deutet ein genereller Trend darauf hin, dass durch einen Temperaturanstieg auch die Mobilisierbarkeit der Einzelstoffe erhöht wird. Deutlich erkennbar ist dieser Trend bei der Betrachtung der Gesamtschadstoffmengen. Eine Erhöhung der Temperatur von 5 °C auf 15 °C führte bereits zu einem Anstieg der Gesamtfreisetzungsraten um 40 %, eine Temperaturerhöhung von 5 °C auf 20 °C sogar um 90 %. Die Inkubation des Bodens vor der Elution mit polysaccharidspaltenden Enzymen steigerte ebenfalls die Verfügbarkeit der organischen Schadstoffe im Gegensatz zur Inkubation des Bodens mit denaturiertem Enzym oder deionisiertem Wasser. Im Allgemeinen ist das Freisetzungsverhalten der organischen Schadstoffe dem des gesamten organischen Materials sehr ähnlich – erhöht sich die Mobilität des DOC, erhöhen sich auch die Freisetzungsraten der HOC. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Freisetzung hydrophober organischer Schadstoffe meist in gleicher Weise von Faktoren beeinflusst ist wie die des gesamten organischen Bodenmaterials. Unterschiede bestehen allerdings zwischen den einzelnen Schadstoffgruppen. So wirken sich die Salz- und Enzym-Effekte deutlich stärker auf die Freisetzungsraten der hydrophoberen Stoffe aus, während die Freisetzungsraten der hydrophileren Substanzen durch die verschiedenen Salzlösungen und die Inkubation des Bodens mit Enzymen nur wenig beeinflusst sind. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass die Freisetzung hydrophober organischer Schadstoffe auf einer Kombination kinetischer und thermodynamischer Faktoren beruht. Die Abschätzung des Risikos eines Schadstoffes sollte demnach nicht nur aufgrund von spezifischen Stoffeigenschaften wie der Polarität erfolgen, sondern sollte an weitere Faktoren, wie z.B. die Bodenbeschaffenheit gekoppelt sein.
Anthropogenic soils as the former waste water infiltration site Berlin-Buch often contain large amounts of inorganic and organic contaminants. Because the desorption behaviour especially of hydrophobic organic contaminants (HOC) and underlying release mechanisms are so far not clearly understood, these contaminated sites pose a potential risk for the environment as well as for higher trophic level organisms. The structure of the soil organic matter (SOM) can be altered by different chemical, physical and microbiological factors e.g. salts, temperature, and enzymes, possibly resulting in a changed contaminant release. To study the influence of these three mentioned factors on the release rates of organic substances, soil leaching experiments under kinetic controlled conditions were performed in the laboratory. A total of 57 substances, including 4 PAH, 33 PCB, and 20 OH-PCB were monitored and results were compared to the released amounts of the dissolved organic matter (DOC). Initial leaching conditions with deionized water at 15 °C showed the highest release rates related to the total amount of the contaminants in the soil samples for the most polar compounds of the three compound groups (PAH 1, DiCl-OHBP, DiCl-BP) and a decline of released amounts with decreasing polarity within one compound group. This suggests a strong thermodynamic impact on release mechanisms of HOC. In contrast to that, compound polarity is not sufficient to predict released amounts when comparing all compound groups with each other, since OH-PCB in comparison to the more hydrophilic PAH exhibited higher release rates. Thus, a correlation of the desorption behaviour from one compound group to another due to specific substance properties can only be an approximation. To study the influence of chemical factors on the release process, soil leaching was performed with three different solutions containing 50 mM of dissolved salts (NaNO3, Ca(NO3)2, and NaH2PO4/Na2HPO4) and deionized water. The phosphate buffer solution induced the strongest release, while the calcium solution released the lowest amounts of organic compounds. In comparison to deionized water, the sodium solution had no observable effects. The leaching strength for DOC as well as for HOC can be explained by interactions of the dissolved electrolytes with the predominantly anionic organic soil material. There is a general trend that elevated temperatures cause an increased availability of organic substances. This is visible from the total organic contaminant release, that increased by 40 % by increasing the temperature from 5 °C to 15 °C and by even 90 % by increasing the temperature from 5 °C to 20. The temperature effect on the release rates of single compounds were, however, not statistically significant. The influence of microbiological factors was studied by incubating the soil with three polysaccaride-lysing enzymes (invertase, xylanase and cellulase) prior to the leaching process. In contrast to soil that was incubated with deionized water or denatured enzymes, an increased availability of organic contaminants was observed for the enzyme treated soil. Generally, the desorption behaviour of organic contaminants is similar to that of the dissolved organic matter. When release rates of the DOC are enhanced, the availability of organic contaminants increases, too. This supports the assumption that release rates of organic contaminants are similarly influenced by external factors as those of the organic matter. Interestingly, the extent to which the desorption of a certain contaminant is affected by salts, temperature or enzymes is dependent on the polarity of the substances. Release rates of more hydrophobic substances respond more explicit to changed conditions than hydrophilic compounds. These results point to the fact that the desorption behaviour of hydrophobic organic contaminants from soil is affected by a combination of kinetic and thermodynamic factors. The risk assessment of soil contaminants should therefore not only be based on specific substance properties, e.g. the polarity, but also on further external factors such as the composition of the soil organic matter.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14232
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1770
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1473
Exam Date: 3-Nov-2006
Issue Date: 4-Dec-2006
Date Available: 4-Dec-2006
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Bodenelution
PAK
PCB
Salze
Temperatur
PAH
PCB
Salts
Soil leaching
Temperature
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Technischen Umweltschutz » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_30.pdf2.29 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.