Kleine Helfer in der Tiefe

Nachweis und Überwachung des natürlichen Abbaus von Bodenbelastungen:

Einige Schadstoffe verschwinden durch natürliche Abbauprozesse aus Boden und Grundwasser, ohne dass aufwändige Sanierungen nötig wären. Aber wie schnell schreitet der Abbau in der Tiefe voran? Bleiben die Schadstoffe an Ort und Stelle oder breiten sie sich im Grundwasser aus – und stellen dann doch eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar? Solche Fragen lassen sich nur durch regelmäßige Beprobungen und Messungen beantworten. Für aromatische Kohlenwasserstoffe, typische Hinterlassenschaften historischer Tankstellen und der Kohleverarbeitung, entwickelte der AAV gemeinsam mit dem Technologiezentrum Wasser des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches ein innovatives, kostengünstiges Nachweisverfahren.

Projektübersicht

Ohne Luft und Licht

sind sogar tief im Boden Mikroorganismen aktiv. Einige von ihnen vertilgen Stoffe, die für andere Lebewesen und auch für den Menschen schädlich sind – und nehmen damit dem AAV an manchen Altlasten-Standorten einen Teil seiner Arbeit ab. Zum Beispiel auf dem ehemaligen Betriebsgelände der Firma Raschig in Bochum: Mehr als 100 Jahre lang produzierte und verarbeitete das Unternehmen auf dem vier Hektar großen Areal westlich des Bahnhofs Langendreer Teer – mit der für das 19. und frühe 20. Jahrhundert typischen Sorglosigkeit im Umgang mit Schadstoffen. So drangen unterschiedliche Kohlenwasserstoffe, darunter auch BTEX, bis zu 20 Meter tief in den Boden ein.

Ein Austausch des Bodens

war bis in diese Tiefe wirtschaftlich nicht möglich. Er war aber auch nicht nötig, da die Schadstoffe auf natürliche Weise abgebaut werden. Der AAV stellte bei der Sanierung der Fläche sicher, dass Niederschläge nicht tief in den Boden eindringen können. So wird dauerhaft verhindert, dass BTEX sich über das Grundwasser ausbreiten können. An Ort und Stelle werden die Kohlenwasserstoffe nun nach und nach von Mikroben zersetzt.

Um den natürlichen Schadstoff-Abbau zu überwachen,

sind für BTEX bislang sehr zeit- und kostenaufwendige Verfahren nötig. Zurzeit wird eine Kombination von indirekten Methoden (zum Beispiel Beobachtung der Schadstoffkonzentrationen und der Redoxprozesse) und direkten Methoden (zum Beispiel Mikrokosmen und Isotopenuntersuchungen) eingesetzt.

Die kostengünstige Alternative

ist ein molekularbiologisches Nachweisverfahren, das heißt: Gesucht wird nicht nach den Schadstoffen selbst, sondern nach den Mikroorganismen, die an ihrer Zersetzung beteiligt sind. Findet man diese in großer Zahl, ist auch die BTEX-Konzentration hoch – und umgekehrt. Das Aufspüren der entsprechenden Mikroben gelingt mit einem mittlerweile vielfach bewährten und sehr effektiven Verfahren: Man weist in den genommenen Proben ihre Gene nach, die an bekannten DNA-Abschnitten („Primer“) erkannt werden. Mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) werden die Gene vervielfältigt und anschließend durch Anlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen quantifiziert. Klingt für den Laien kompliziert, ist jedoch für den Fachmann sehr viel leichter durchführbar als alle übrigen Nachweisverfahren. So sind nur geringe Probenmengen erforderlich, die im Rahmen üblicher Grundwasserbeprobungen gewonnen werden. Die Proben können ohne Kühlung verschickt werden. Und der Zeitaufwand für die Messung ist so gering, dass die Ergebnisse auch für eine größere Probenanzahl innerhalb kurzer Zeit vorliegen. Zudem sind die im Labor gewonnenen DNA-Extrakte tiefgekühlt über lange Zeit stabil und können später für Zusatzuntersuchungen herangezogen werden.  Nicht zuletzt sind mit diesem Verfahren auch schwer kultivierbare Organismen (wie zum Beispiel Sulfat-reduzierende BTEX-abbauende Bakterien) nachweisbar.

Welche Gene und Primer für die Methode geeignet sind,

wurde in einem ersten Schritt in der Literatur recherchiert. Es ist bekannt, dass beim anaeroben Abbau von substituierten Aromaten wie BTEX der entscheidende Schritt der Ringspaltung durch Benzoyl-CoA-Reduktase eingeleitet wird. Ein Schlüsselenzym des anaeroben Toluolabbaus ist die Benzylsuccinat-Synthase. Für diese beiden Enzyme sowie für eine Hydrolase, die den letzten Schritt der Ringspaltung katalysiert, wurden jeweils 4-8 in der Literatur dokumentierte Primersequenzen identifiziert. Bei orientierenden Untersuchungen an Grundwasserproben aus den AAV-Standorten in Moers und Bochum wurden sechs Primersysteme für die weiterführenden quantitativen Untersuchungen ausgewählt. Einige dieser Primer können bestimmten stoffwechselphysiologischen Gruppen zugeordnet werden (z.B. Denitrifizierer, Sulfatreduzierer und Methanbildner), so dass auch eine Korrelation mit dem im Feldmonitoring ermittelten Redoxmilieu möglich ist.

Die Methode ist grundsätzlich geeignet,

als ergänzendes Untersuchungsverfahren die Abbauprozesse zu bewerten. Ein Vergleich der Standorte Raschig (Bochum) und Rheinpreußen (Moers) zeigte eine große Übereinstimmung im Spektrum der nachgewiesenen Gene und deren Nachweishäufigkeit. Auch zeigte sich ein Zusammenhang zwischen dem PCR-Nachweis und der Schadstoffverteilung: In Proben aus der unmittelbaren Nähe des Schadensherdes detektierte man die meisten Signale. Ein Zusammenhang mit dem im Grundwasser herrschenden Redoxmilieu war auf einigen Untersuchungsstandorten erkennbar. Jedoch zeigte die Untersuchung von Proben aus unter definierten Redoxbedingungen durchgeführten Anreicherungskulturen auch, dass die Ergebnisse nicht immer mit den in der Literatur beschriebenen Angaben übereinstimmen.

Eine Weiterentwicklung der Methodik

im Hinblick auf die Unterscheidung zwischen aktiven und inaktiven Mikroorganismen ist zwar noch nötig. Bereits jetzt ist absehbar, dass molekularbiologische Untersuchungsmethoden in der Altlastenbearbeitung künftig sicherlich verstärkt eingesetzt werden.