Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1500
Main Title: Bildung organischer Bromverbindungen in Oberflächengewässern sowie Studien zum Verhalten während der Uferfiltration
Translated Title: Formation of organic bromine compounds in surface waters as well as studies concerning the behaviour during bank filtration
Author(s): Hütteroth, Alexandra
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In Oberflächengewässern in Berlin wurden über mehrere Jahre erhöhte Konzentrationen an organischen Bromverbindungen (OBr), bestimmt als adsorbierbare organische Bromverbindungen (AOBr), gemessen. Die erhöhten Konzentrationen sind im Spätsommer detektierbar. Es wird vermutet, dass die bromierten Verbindungen in den Seen gebildet werden. Die Bildung natürlicher OBr ist aus dem marinen Bereich bekannt, aber im Süßwasserbereich noch unerforscht. Süßwasser ist nicht nur für die Freizeitgestaltung von Bedeutung, sondern auch für die Trinkwasserversorgung. In Berlin wurden im Grundwasser (> 50 % aus Uferfiltrat) AOBr-Gehalte detektiert. Das Hauptziel dieser Arbeit ist, die Bildungsursache bzw. den -mechanismus der bromorganischen Verbindungen in Oberflächengewässern zu klären. Die OBr sollen charakterisiert und das Verhalten bei der Uferfiltration untersucht werden. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass der AOBr in Oberflächengewässern autochthon ist. Die AOBr-Bildung wird durch phototrophe Organismen beeinflusst. Die höchsten AOBr-Konzentrationen werden nach dem Absterben der Biomasse gemessen. Die AOBr-Bildung ist nicht auf stark anthropogen beeinflusste Gewässer beschränkt. Stress wie Nährstoffmangel sowie Wasserstoffperoxid führen zu einer erhöhten AOBr-Produktion. Phototrophe Organismen lagern Bromid in ihre Zelle ein und verbrauchen diesen zum Teil für eine intrazelluläre OBr-Bildung. Das eingelagerte Bromid wird von den lebenden Organismen auch wieder abgegeben. Nach dem Absterben findet eine Freisetzung von intrazellulärem OBr und Bromid statt, wobei zusätzlich eine extrazelluläre AOBr-Bildung beginnt. Ob der Hauptanteil des AOBr intra- oder extrazellulär gebildet worden ist, hängt von den Wachstumsbedingungen ab. Insbesondere der festgestellte H2O2-Einfluss zeigt, dass der AOBr durch Haloperoxidasen gebildet wird. Für eine enzymatische Bildungsreaktion ist die Anwesenheit von Bromid, natürlichem organischem Material und H2O2 notwendig, welche in dem Bereich der Oberflächenwasserschicht detektiert werden. Bei den AOBr-Verbindungen handelt es sich um nichtflüchtige polare Substanzen. Einzelstoffe wurden durch die Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) anhand charakteristischer Bromisotopenmuster detektiert. Dibromessigsäure, Bromchloressigsäure und 4-Brom-3-nitrobiphenyl konnten detektiert werden. Viele weitere Verbindungen waren zu erkennen, aber eine nähere Charakterisierung war nicht möglich, auf Grund der geringen Konzentration und der hohen Matrix. Für die selektive Detektion von organischen Bromverbindungen wurde eine bromspezifische LC-MS-Methode etabliert. Mit Hilfe dieses Detektionsverfahrens konnten bis zu 31 Verbindungen detektiert werden. Weitere Informationen zu den Verbindungen wurden durch LC-MS-Messungen im scan-Modus erhalten, sodass der Halogenierungsgrad der Verbindungen bestimmt werden konnte. Demnach sind die 31 Verbindungen einfach bis dreifach bromiert und oft zusätzlich einfach bis zweifach chloriert. Versuche an Laborbodensäulen haben gezeigt, dass es zu einer 100%igen Eliminierung/Transformation der algenproduzierten organischen Bromverbindungen kommt, wenn anoxisch/anaerobe Bedingungen vorherrschen. Unter überwiegend oxisch/anoxischen Bedingungen erfolgt keine 100%ige Eliminierung. Die Bildung natürlicher organischer Bromverbindungen in Oberflächengewässern hat demnach keinen nachteiligen Einfluss auf die Trinkwasserqualität nach der Uferfiltration/Grundwasseranreicherung, wenn diese unter anoxisch/anaeroben Bedingungen erfolgt.
Berlin surface waters are characterized by elevated concentrations of organic bromine compounds in late summer (up to 40 μg/L organic bound bromine). Knowledge about the organic bromine compounds in lakes is of significant importance because human life is closely connected to fresh water, and halogenated organic compounds are in general classified as toxic. Apart from recreational use, fresh water is frequently used for the production of drinking water e.g., after bank filtration. Organic bromine compounds are detectable in Berlin’s ground water which contains more than 50 % bank filtered lake water. In this study the source, respectively the mechanism responsible for the formation of organic bromine compounds in lakes was investigated, the compounds were characterized and the behaviour during bank filtration was investigated. A field study shows that the organic bromine compounds, measured as adsorbable organic bound bromine (AOBr), are autochthonous. Further field studies and laboratory tests performed with lake water as well as with cultures of phototrophic organism revealed that phototrophic organisms contribute to the AOBr formation. Stress like a reduced nutrient supply or hydrogen peroxide favours the AOBr formation. Phototrophic organisms incorporate bromide, which is released again randomly and after cell death. A part of the incorporated bromide is used for the formation of organic bromine compounds in the cell. After death of the organisms the brominated compounds are released into the water phase and an extra cellular AOBr production, in the presence of H2O2 leads to a further formation of AOBr, most probably due to the parallel release of haloperoxidases. For an enzymatic formation by haloperoxidases bromide, natural organic matter and H2O2 is necessary which are detectable in the upper layers of natural surface waters. The AOBr compounds are not volatile and predominantly polar/anionic substances. Single compounds have been detected by gas chromatography (GC) mass spectrometry (MS) by the characteristic isotopic pattern of bromine. The detection of dibromoacetic acid, bromochloroacetic acid and 4-bromo-3-nitrobiphenyl was possible. Many other organic bromine compounds could be traced but a further characterization was not possible due to low compound and high matrix concentrations. For the selective detection of organic bromine compounds a specific liquid chromatography (LC)-MS method was established and up to 31 different bromine compounds have been detected in one sample. By LC-MS measurements in the scan mode additional structural information were gained e.g., number of bound bromine atoms. Therefore it is known, that the 31 compounds are single-triple brominated and often additionally single-double chlorinated. Soil Column experiments revealed a 100 % elimination/transformation of algae produced organic bromine compounds under anoxic/anaerobic conditions. Under oxic/anoxic conditions the transformation rate is low. Therefore, the formation of natural organic bromine compounds in surface waters seems to be unproblematic for the production of drinking water after bank filtration or ground water recharge if anoxic/anaerobic conditions are guarantied.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14580
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1797
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1500
Exam Date: 4-Dec-2006
Issue Date: 5-Jan-2007
Date Available: 5-Jan-2007
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): AOBr
Bromorganische Verbindungen
Cyanobakterien
Haloperoxidasen
Oberflächengewässer
Brominated organic compounds
Bromine selectiv detection
Cyanobacteria
Haloperoxidase
Surface water
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