Interpretation von Konzentrationen und Isotopen-Daten organischer Mikroverunreinigungen in kontrollierten mesoskaligen Transportexperimenten

Olaf Cirpka1, Heide Schürner2, Shiran Qiu2, Dominik Eckert1, Martin Elsner2
1 Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, Universität Tübingen
2 Institut für Grundwasserökologie, Helmholtz-Zentrum München

O 8.2 in Isotopen- und Tracermethoden in der Hydrogeologie

15.04.2016, 14:30-14:45, Audimax A, Geb. 30.95

 

 

Die substanzspezifische stabile Isotopenanalyse (CSIA) organischer Schadstoffe stellt seit einigen Jahren eine wichtige Methode dar, um den Abbau der Schadstoffe von reinen Verdünnungseffekten zu unterscheiden. Die isotopisch schwereren Moleküle werden typischerweise langsamer abgebaut als die isotopisch leichten, sodass es zu einer Anreicherung der schweren Isotopologe im verbleibenden Schadstoff kommt. Die herkömmliche Interpretation der isotopischen Verschiebung erfolgt üblicherweise mit der Rayleigh-Gleichung, deren Anwendbarkeit voraussetzt, dass der Abbau den einzigen isotopenfraktionierenden Prozess darstellt, keine Rückreaktion stattfindet, und dass die Reaktionsrate pseudoerster Ordnung des schweren und leichten Isotopologs in einem festen Verhältnis zueinander steht. Es konnte jedoch nachgewiesen werden, dass neben dem Abbau auch Stoffübergangsprozesse (namentlich Sorption und Tranversaldispersion) fraktionierend wirken. Die gemeinsame Interpretation von Isotopen- und Konzentrationsdaten erfordert deshalb die Anwendung reaktiver Stofftransportmodelle, in denen die Isotopologe als selbstständige Substanzen betrachtet werden.

In einem mesoskaligen, quasi-zweidimensionalen Grundwasserversuchsstand (4.83 m × 0.8 m × 0.7 m) am Institut für Grundwasserökologie des Helmholtz-Zentrums München wurde mehrere Experimente, bei denen Toluol, 2,6-Dichlorbenzamide (BAM), Bentazon, Diclofenac und Ibuprofen zusammen mit Bromid und deuteriertem Wasser pulsartig in einen aeroben künstlichen Grundwasserstrom zugegeben wurden. Im Abstand von 4.2m wurden Zeitreihen der Konzentration und der 13C/12C bzw. 15N/14N erfasst. Aus den Profilen der Konzentrationen und der Isotope konnte durch Modellvergleich ermittelt werden, dass Toluol (mit vernachlässigbarer Kinetik) sorbiert und einem nichtlinearen Abbau nach Michaelis-Menten-Kinetik unterliegt; BAM und Ibuprofen zeigten weder Hinweise auf Abbau noch auf Sorption; Bentazone wurde abgebaut, aber sorbierte nicht; wohingegen Diclofenac sorbierte und abgebaut wurde. Die gleichbleibende Isotopensignatur von BAM bestätigte den Befund des konservativen Verhaltens, wohingegen Diclofenac, Bentazon und Toluol in 13C und 15N angereichert wurden. Allerdings weist die gelichmäßige Anreicherung von des 13C-Profils von Diclofenac im Gegensatz zu einer U-förmigen Anreicherung bei Toluol darauf hin, dass eine Beschreibung der Kinetik nach einem Ratengesetz erster Ordnung angemessen, obwohl die Konzentrationen vergleichbar waren.

Die Ergebnisse zeigen, dass zeitlich gut aufgelöste Isotopenanalyse zusammen mit Konzentrationsmessungen und konservativen Tracern dazu beitragen kann, Prozesse, denen Schadstoffe im Grundwasser unterliegen, zu identifizieren und zu charakterisieren. Die Interpretation ohne Vorliegen einer Zeitreihe bzw. eines räumlichen Profils ist hingegen schwierig. Zur Auswertung sollten Modelle verwendet werden, die in ihren Annahmen weniger restriktiv sind als die Rayleigh-Gleichung.



SCHÜRNER, H., MAIER, M.,  ECKERT, D., BREJCHA, R., NNEUMANN, C.-C., STUMPP, C.,  CIRPKA, O.A., ELSNER, M. (2015): Compound-Specific Stable Isotope Analysis of a micropollutant pulse in a mesoscale aquifer detects sorption and reveals concentration-dependent biotransformation kinetics. Environ. Sci. Technol. (submitted).

ECKERT, D., QIU, S., ELSNER, M., CIRPKA, O.A. (2013): Model complexity needed for quantitative analysis of high resolution isotope and concentration data from a toluene-pulse experiment. Environ. Sci. Technol. 47(13): 6900-6907.

QIU, S. , ECKERT, D., CIRPKA, O.A., HUENNIGER, M., KNAPPETT, P.,  MALOSZEWSKI, P., MECKENSTOCK, R., GRIEBLER, C., ELSNER, M. (2013): Direct experimental evidence of non-first-order degradation kinetics and sorption-induced isotopic fractionation in a mesoscale aquifer: 13C/12C analysis of a transient toluene pulse. Environ. Sci. Technol. 47(13): 6892-6899.

 



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