Green Remediation & Atténuation naturelle des … R.Schmidt_DVGW TZW.pdf · la biodégradation est...

TZWWater Technology Center – Environmental Biotechnology

Green Remediation & Atténuation

naturelle des solvants chlorés :

Identification de la biodégradation

anaérobie et aérobie

Kathrin Rachel Schmidt (1), Andreas Tiehm (1),

Michael Heidinger (2), Siegmund Ertl (2)

(1) Water Technology Center (TZW), Department of Environmental

Biotechnology, Karlsruhe, Allemagne; www.tzw.de

(2) Hydroisotop GmbH, Schweitenkirchen, Allemagne; www.hydroisotop.de

Intersol 2010

TZWKathrin R. Schmidt Water Technology Center – Environmental Biotechnology

Atténuation naturelle – Définition

L’Atténuation Naturelle englobe une variété de

mécanismes physiques, chimiques ou biologiques qui,

sous des conditions favorables,

réduisent sans intervention humaine

la masse, la toxicité, la mobilité, le volume ou la concentration

des polluants dans les sols ou les eaux souterraines.

Ces mécanismes in situ comprennent la biodégradation, la

dispersion, la dilution, la sorption, la volatilisation, ainsi que la

stabilisation, la transformation ou la destruction des polluants par

voie chimique ou biologique.

ADEME, 2007: Organo-chlorés aliphatiques – Atténuation naturelle dans les aquifères

Introduction

Intersol 2010


Atténuation naturelle – Schéma

Zone non

saturée

Site industriel

Zone

saturée

Zones source

LNAPL

DNAPL

Substratum

Sens d‘écoulement

de la nappe Panache de pollution

Centre de distribution des eaux

parmi les mécanismes d’atténuation naturelle, la biodégradation est le seul processus permettant une perte nette en polluants

Introduction

Intersol 2010


Atténuation naturelle – Application

Atténuation Naturelle sous Surveillance, ANS

(Monitored Natural Attenuation, MNA)

fait usage des capacités des mécanismes d‘AN

les processus sont attentivement contrôlée et suivie

Atténuation Naturelle Stimulée

(Enhanced Natural Attenuation, ENA)

fait usage des capacités des mécanismes d‘AN

la biodégradation est stimulée par p.ex. oxygène, substrat…

�� les processus de biodégradation sur un site

spécifique doivent être caractérisés de

manière détaillée

Introduction

Intersol 2010


ma

pta

ke

nfr

om

ww

w.m

yg

eo

.info

Biodégradation – Méthodes d’évaluation

Détermination de

Répartition des polluants

Conditions redox dans les eaux souterraines

Bactéries spécialisées par

PCR (polymerase chain reaction)

MPN (most probable number)

Dégradation en microcosmes

Rapports isotopiques

�� schéma réactionnel sur un site

Frankenthal, Allemagne

Introduction

Intersol 2010


Biodégradation des chloroéthènes

Oxydation aérobie

CO2

Cl-

H2OH H

C = CH Cl

H H

C = CH Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Déchloration anaérobie-réductrice

ComposéorganiqueDonneur

d‘électrons

PCE

TCE

cDCE

CV

éthène

H H

C = CCl Cl

H H

C = CCl Cl

H H

C = CH H

H H

C = CH H

H2

O2

Accepteurd‘électron

Dégradation cométabolique

Dégradation métabolique



sensib

ilitéd

écro

issante

àla

déchlo

ratio

n ré

ductric

e

sensib

ilitécro

issante

àla

dégra

datio

noxyd

atif

Introduction

Intersol 2010


� deux sources

(TCE et PCE)

� détection de

métabolites

(cDCE, CV,

sans éthène)

� court panache

Surfer-interpolation: default kriging

PCE > 100 µg/L

TCE > 100 µg/L

cDCE > 100 µg/L

CV > 100 µg/L

0 m 200 m 1200 m400 m 600 m 1000 m800 m 1400 m0 m

200 m

1200 m

400 m

600 m

1000 m

800 m

1400 mRépartition horizontale des chloroéthènes

Polluants

Sens d‘écoulement de la nappe

SourcePCE

SourceTCE

Intersol 2010


� contamination

majeur au milieu

� CV détecté

seulement en

profondeur la

plus bas

Surfer-interpolation: default kriging

Répartition verticale des chloroéthènes

0 200 1200 m400 600 10008000 m

200

400

PCE > 100 µg/L TCE > 100 µg/L cDCE > 100 µg/L CV > 100 µg/L

1 m en profondeur

SourceTCE


SourcePCE

5 m en profondeur

10 m en profondeur

SourcePCE

SourcePCESource

TCE

SourceTCE

Polluants

Intersol 2010


Conditions redox dans les eaux souterraines

Redox

moins O2

moins NO3

ORP basplus Mn2+

plus Fe2+

�� Conditions plus aérobies

plus O2

plus NO3

ORP hautmoins Mn2+

moins Fe2+

�� Conditions plus anaérobies

0 200 1200 m400 600 10008000 m

200

400

PCE > 100 µg/L TCE > 100 µg/L cDCE > 100 µg/L CV > 100 µg/LPCE > 100 µg/L TCE > 100 µg/L cDCE > 100 µg/L CV > 100 µg/L

3442

4101 m en profondeur

SourceTCE


SourcePCE

5 m en profondeur

10 m en profondeur

SourcePCE

SourcePCESource

TCE

SourceTCE

Intersol 2010


Oxydation aérobie

CO2

Cl-

H2O


PCE

TCE

cDCE

CV

éthène

Desulfomonile

Desulfuromonas

Dehalobacter

Dehalococcoides

PCR: détection de l‘ADN des bactéries

� + test très rapide

� - pas de preuve de l’activité

MPN: quantification de la croissance

� + preuve de l’activité au laboratoire

� - test plus longe

Investigation par PCR et MPN – Principe

PCR et MPN

Bactéries étant capablede croissance avec CV

Germes totals en milieu nutritifen milieu peu nutritif

Bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes

Bactéries ferro-réductrices

Bactéries sulfato-réductrices

Intersol 2010


BP24

BP29

BP37

BP38

BP39

BP40

BP41

BP42

BP46

PCE

TCE

cDCE

CV

éthène

Desulfomonile sp.

Desulfuromonas sp.

Dehalobacter sp.

Dehalococcoides sp.

PCE > 100 µg/L

TCE > 100 µg/L

cDCE > 100 µg/L

CV > 100 µg/L

0 m 200 m 1200 m400 m 600 m 1000 m800 m 1400 m0 m

200 m

1200 m

400 m

600 m

1000 m

800 m

1400 m

0 m

200 m

1200 m

600 m

1000 m

800 m

1400 m

Investigation par PCR – RésultatsPCR = Polymerase Chain Reaction, réaction de polymérisation en chaine

� détection d‘halorespirateurs

différents dans l‘eau souterraine

PCR

Intersol 2010


�� L’apparition répandue des bactéries étant capable de dégrader le CV montre le potentiel du site pour ce processus

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

51

H

51

M

51

B

44

H

44

M

44

B

45

H

45

M

45

B

46

H

46

M

46

B

No des piézomètres et profondeur (H=haut, M=milieu, B=bas)

Germ

es

/ g

mati

ère

sè

ch

e

Germes totalsmilieu nutritif

Germes totalsmilieu peu nutritif

Germesmilieu avec CV

MPN

Investigation par MPN – RésultatsMPN = Most Probable Number, dénombrement microbiologique des bactéries

Intersol 2010


Test de dégradation en microcosmes – Principe

Avec le matériel du site (eau

souterraine, sédiment)

Incubation sous conditions du site

aérobie ou anaérobie avec des

différents accepteurs d’électron;

concentrations en polluants, en

sources de carbone et en nutriments

Incubation sous conditions

artificiellement modifiées

autres concentrations en polluants, en

sources de carbone et en nutriments

�� considération de la situation

minimale et maximale (stimulation)

Microcosmes

Intersol 2010


Voie de dégradation

Anaérobie –

reductrice

Oxydation

aérobie

Chloro-éthènes

PCE / TCE cDCE / CV

Donneurd‘électrons

Acetate +

HydrogèneChloroéthènes

Accepteurd‘électrons

Chloroéthènes Oxygène

Test de dégradation en microcosmes –Echantillonnage Incubation

sur le site au laboratoire

Microcosmes

Intersol 2010


Ch

loro

éth

èn

es, ch

loru

re[µ

M]

0

5

10

15

20

25

30

35

0 7 17 26 31 35 38 45 59 61 63 66

Temps [jours]

� Réduction de PCE/TCE

jusqu‘à cDCE a étésouvent observée

jusqu‘à CV a étérarement observée

� Minéralisation de

cDCE et de CV sous

des conditions

aérobies a été

souvent observée

0

20

40

60

80

100

0 5 7 10 11 12 14 17 19

Temps [jours]

Oxydation aérobieDéchloration anaérobie-réductrice

Microcosmes

Test de dégradation en microcosmes – Résultats

Chloride

cDCE

TCE

PCE

Chlorure

cDCE

TCE

PCE

Intersol 2010


Bactériesdégradent 12C plus

rapide que 13C

13C

13C

13C13C

12C12C

12C12C

12C12C

12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C

12C

12C

12C 12C12C

12C

13C13C

Composé avecun certain

rapport 13C/12C

Métaboliteest appauvri

en 13C

13C

12C12C

12C12C12C12C

12C12C12C

12C

12C12C

12C12C

13C

Fractionnement isotopique 13C/12C – Principe

Fractionnement isotopique = modifications des

rapports isotopiques pour les composés originaux

et pour les métabolites pendant la biodégradation

Composé original restant est

enrichi en 13C

13C13C

12C

12C

12C

12C12C

12C

13C

13C+

Isotopes

TZWWater Technology Center – Environmental Biotechnology

PCE > 100 µg/L

TCE > 100 µg/L

cDCE > 100 µg/L

CV > 100 µg/L

0 m 200 m 1200 m400 m 600 m 1000 m800 m 1400 m0 m

200 m

1200 m

400 m

600 m

1000 m

800 m

1400 m

0 m

200 m

1200 m

400 m

600 m

1000 m

800 m

1400 m


SourcePCE

SourceTCE

- 22,3 ‰- 21,2 ‰ - 20,7 ‰

- 19,5 ‰

après Martin et al.,TerraTech 3-4/2006: 14-17

Isotopes

� Enrichissement

isotopique dans le

panache de

pollution en aval

de la source de

pollution

� Indication

qualitative de

biodégradation

Fractionnement isotopique 13C/12C – Résultats

Intersol 2010


�� E

nri

ch

iss

em

en

t is

oto

piq

ue

pe

nd

an

t la

bio

dé

gra

da

tio

n p

ar

de

s v

oie

s d

iffé

ren

tes

Isotopes

Fractionnement isotopique 13C/12C – RésultatsDéchloration anaérobie-réductrice de PCE

0

10

0 5 10 15 20 25

PC

E,

TC

E, cD

CE

[m

g/L

]

-27

-22

PC

E 1

3C

/12C

[‰

VP

DB

]

PCE mg/L

TCE mg/L

cDCE mg/L

PCE δ13C

0

2

8

10

0 10 20 30 40 50 60

Temps [jours]

cD

CE

[m

g/L

]

-30

70

cDCE mg/LcDCE δ13C

0

2

12

0 2 4 6 8 10

TC

E, c

DC

E [

mg

/L]

-32

-8

TCE mg/L cDCE mg/L

TCE δ13C

0

2

8

10

0 10 20 30 40 50 60

Temps [jours]

VC

[m

g/L

]

-50

50

CV mg/L

CV δ13C

Dégradation aérobie-oxydatif de cDCE

TC

E 1

3C

/12C

[‰

VP

DB

]

cD

CE

13C

/12C

[‰

VP

DB

]

CV

13C

/12C

[‰

VP

DB

]

Déchloration anaérobie-réductrice de TCE

Dégradation aérobie-oxydatif de CV

Intersol 2010


Déchloration anaérobie-réductrice de PCE

0

10

0 5 10 15 20 25

PC

E,

TC

E, cD

CE

[m

g/L

]

-27

-22

PC

E 1

3C

/12C

[‰

VP

DB

]

PCE mg/L

TCE mg/L

cDCE mg/L

PCE δ13C

0

2

8

10

0 10 20 30 40 50 60

Temps [jours]

cD

CE

[m

g/L

]

-30

70

cDCE mg/LcDCE δ13C

0

2

12

0 2 4 6 8 10

TC

E, c

DC

E [

mg

/L]

-32

-8

TCE mg/L cDCE mg/L

TCE δ13C

0

2

8

10

0 10 20 30 40 50 60

Temps [jours]

VC

[m

g/L

]

-50

50

CV mg/L

CV δ13C

Dégradation aérobie-oxydatif de cDCE

TC

E 1

3C

/12C

[‰

VP

DB

]

cD

CE

13C

/12C

[‰

VP

DB

]

CV

13C

/12C

[‰

VP

DB

]

Déchloration anaérobie-réductrice de TCE

Dégradation aérobie-oxydatif de CV

�� L

a d

éte

rmin

ati

on

de

s f

ac

teu

rsd

‘en

ri-

ch

iss

em

en

tis

oto

piq

ue

pe

rme

t la

qu

an

tifi

-

ca

tio

nd

e l

a b

iod

ég

rad

ati

on

su

r le

sit

e

Isotopes

Fractionnement isotopique 13C/12C – Résultats

ε = -1,5‰ ε = -4,3‰

ε = -7,9 / -15,7‰ ε = -5,7 / -12,9‰

Intersol 2010


Schéma réactionnel sur le site de Frankenthal

� 1) Déchloration anaérobie-réductrice de PCE / TCE jusqu‘à cDCE (CV)

� 2) Oxydation aérobie / minéralisation de cDCE (CV)

Aérobie

CO2

Cl-

H2O

H H

C = CH Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Anaérobie

PCE

TCE

cDCE

CV

H H

C = CCl Cl

dégradation

métabolique

Schéma réactionnel

Intersol 2010


L‘identification des processus de

biodégradation

par des méthodes differentes

- qui ont donné des résultats

correspondantes -

a permis la définition du schéma

réactionnel spécifique pour ce site.

Conclusions

Aérobie

CO2

Cl-

H2O

H H

C = CH Cl

H H

C = CH Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Anaérobie

PCE

TCE

cDCE

CV

H H

C = CCl Cl

H H

C = CCl Cl

dégradation

métabolique

Oxydation aérobie

CO2

Cl-

H2OH H

C = CH Cl

H H

C = CH Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl H

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl

Cl Cl

C = CCl Cl


ComposéorganiqueDonneur

d‘électrons

PCE

TCE

cDCE

CV

éthène

H H

C = CCl Cl

H H

C = CCl Cl

H H

C = CH H

H H

C = CH H

H2

O2

Accepteurd‘électron





sensib

ilitédécro

issante

àla

déchlo

ratio

n ré

ductric

e

sensib

ilitécro

issante

àla

dégra

datio

noxydatif

Répartition des polluants

Conditions redox de l’aquifère

Bactéries spécialisées par PCR et MPN

Dégradation en microcosmes

Analyse isotopique

Conclusions

Intersol 2010


Ministère Fédéral de l’Education et de la Recherche (BMBF)

et Land de Rhénanie-Palatinat pour le soutien financier

nos partenaires de project – les Universités de Göttingen,

Karlsruhe et Kiel, et la municipalité de Frankenthal

nos collègues du TZW –

Tobias Augenstein, Carmen Kraffert,

Silke Kraßnitzer, Axel Müller, Sarah

Mungenast, Heico Schell, Claudia

Stoll et Claudia Zawadsky

et vous pour votre attention!!

Remerciements

Remerciements

Intersol 2010


Schmidt K. R., Augenstein T., Heidinger M., Ertl S., Tiehm A. (2010) Aerobic biodegradation of cis-1,2-dichloroethene as sole carbon source: Stable carbon isotope fractionation and growth characteristics. Chemosphere 78(5): 527-532.

Zhao H.-P., Schmidt K. R., Tiehm A. (2010) Inhibition of aerobic metabolic cis-1,2-di-chloroethene biodegradation by other chloroethenes. Water Res.: 44(7): 2276-2282.

Lohner S. T., Tiehm A. (2009) Application of electrolysis to stimulate microbial reductive PCE dechlorination and oxidative VC biodegradation. Environ. Sci. Technol. 43(18): 7098-7104.

Tiehm A., Schmidt K. R., Pfeifer B., Heidinger M., Ertl S. (2008) Growth kinetics and carbon isotope fractionation during aerobic degradation of cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride. Water Res. 42: 2431-2438.

Schmidt K. R., Tiehm A. (2008) Natural attenuation of chloroethenes: Identification of sequential reductive/oxidative biodegradation by microcosm studies. Water Sci. Technol. 58(5): 1137-1145.

Tiehm A., Schmidt K. R. (2007) Methods to evaluate biodegradation at contaminated sites. In: Knödel K., Lange G., Voigt H.-J. (Eds.): Environmental geology – Handbook of field methods and case studies. Springer, Berlin, Heidelberg: 876-911.

Schmidt K. R., Stoll C., Tiehm A. (2006) Evaluation of 16S-PCR detection of Dehalococcoides at two chloroethene-contaminated sites. Water Sci. Technol.: Water Supply 6(3): 129-136.

Références

Références

Date post:	10-Sep-2018
Category:	Documents
Upload:	trinhmien
View:	216 times
Download:	0 times

Green Remediation & Atténuation naturelle des … R.Schmidt_DVGW TZW.pdf · la biodégradation est...

Documents