BTEX: Ein ernstzunehmender Grundwasserkontaminant
EINFÜHRUNG
Eine beträchtliche Menge Benzin gelangt durch Leckagen aus unterirdischen Lagertanks, versehentliche Verschüttungen oder unsachgemäße Abfallentsorgung in die Umwelt (Bowlen und Kosson, 1995). Wenn Benzin mit Wasser in Berührung kommt, machen Benzol, Toluol, Ethylbenzol und die Xylolisomere (BTEX) bis zu 90 % der Benzinkomponenten aus, die sich in der wasserlöslichen Fraktion befinden (Saeed und Al-Mutairi, 1999). Folglich gehören diese Chemikalien zu den häufigsten Verunreinigungen des Trinkwassers. BTEX sind für den Menschen giftig, und ihre Entfernung aus verschmutzten Umgebungen ist von besonderem Interesse (Mehlman, 1992). Bei BTEX handelt es sich nicht um eine einzelne Chemikalie, sondern um eine Gruppe der folgenden chemischen Verbindungen: Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole. BTEX bestehen aus natürlich vorkommenden Chemikalien, die hauptsächlich in Erdölprodukten wie Benzin enthalten sind. Neben Benzin finden sich BTEX auch in vielen der üblichen Haushaltsprodukte, die wir täglich verwenden. BTEX gehören zu einer Klasse von Chemikalien, die als flüchtige organische Verbindungen (VOC) bekannt sind.
Der Zweck dieser Studie ist es, Informationen und ein visuelles Verständnis der BTEX-Kontaminanten und ihrer Eigenschaften zu vermitteln, wie sie durch Bioremediation aus dem Grundwasser entfernt werden können. Der Stamm 2479 wurde aus dem Boden des Industriegürtels von Rajbandh (Westbengalen, Indien) isoliert, wo polychlorierte Kohlenwasserstoffe (einschließlich TCE) häufig verwendet werden
Zusammensetzung von BTEX: Die BTEX-Gruppe von Schadstoffen besteht aus Benzol, Ethylbenzol, Toluol und drei Isomeren von Xylol. Diese organischen Chemikalien machen einen bedeutenden Prozentsatz der Erdölprodukte aus (Abb. 1).
| Abbbb. 1: | Der Prozentsatz (Gewicht) der BTEX-Komponenten von Benzin |
| Tabelle 1: | Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von BTEX |
| – | Benzol kommt in Benzin und in Produkten wie synthetischem Gummi, Kunststoffen, Nylon, Insektiziden, Farben, Farbstoffen, Harzklebern, Möbelwachs, Reinigungsmitteln und Kosmetika |
| – | Autoabgase und Industrieemissionen machen etwa 20 % der landesweiten Gesamtbelastung durch Benzol aus. Benzol findet sich auch im Zigarettenrauch. Etwa 50 % der gesamten landesweiten Benzolbelastung resultiert aus dem Rauchen von Tabak |
| – | Toluol kommt natürlich als Bestandteil vieler Erdölprodukte vor. Toluol wird als Lösungsmittel für Farben, Beschichtungen, Gummis, Öle und Harze verwendet |
| – | Ethylbenzol wird hauptsächlich als Zusatzstoff für Benzin und Flugkraftstoff verwendet. Es kann auch in Konsumgütern wie Farben, Druckfarben, Kunststoffen und Pestiziden enthalten sein |
| – | Xylol gehört zur Gruppe der BTEX-Schadstoffe. Ortho-Xylol ist die einzige natürlich vorkommende Form von Xylol; die beiden anderen Formen sind künstlich hergestellt. Xylole sind farblose Flüssigkeiten, die in Benzin und als Lösungsmittel in der Druck-, Gummi- und Lederindustrie verwendet werden |
Physikalisch-chemische Eigenschaften: Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von BTEX sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Kontaminierende Eigenschaften:
| – | Molekulargewicht: Das Molekulargewicht einer Verbindung wird in g mol-1 gemessen. Im Allgemeinen gilt: Je höher das Molekulargewicht, desto weniger löslich in Wasser. Das Molekulargewicht beeinflusst auch die Dichte einer Verbindung |
| – | Wasserlöslichkeit: Die Wasserlöslichkeit ist das Maß für die maximale Konzentration einer Chemikalie, die sich in reinem Wasser bei einer bestimmten Temperatur auflöst, gemessen in mg L-1. Die Wasserlöslichkeit hat große Auswirkungen auf die Bewegung und Verteilung von Chemikalien im Boden und Grundwasser |
| – | Polarität: Benzol ist unpolar, weil es fast neutral geladen ist. Es ist nicht so unpolar wie die anderen Schadstoffe der BTEX-Gruppe und hat die Fähigkeit, sich in Wasser zu lösen |
| – | Spezifische Dichte: Die Dichte wird als Trockenmasse pro Volumen (kg m-3) gemessen. Die Dichte der Schadstoffe wirkt sich auf die Fähigkeit der organischen Verbindung aus, auf Wasser zu schwimmen |
| – | Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient: Er ist das Verhältnis der Konzentration einer gelösten Substanz in einem Zweiphasensystem im Gleichgewicht. Nachdem eine Chemikalie in einer Lösung aus Oktanol und Wasser gemischt wurde, wird das System in ein Gleichgewicht gebracht. Dies ist auch ein Maß für die Hydrophobie einer organischen Substanz. Je hydrophober eine Chemikalie ist, desto eher wird sie am Boden adsorbiert und hat eine geringe Löslichkeit |
| – | Konstante des Henry’schen Gesetzes: Sie beschreibt die Bewegung der Chemikalie von Wasser zu Luft und auch von Luft zu Wasser. Hohe Werte bedeuten, dass die Chemikalie eher in die Gasphase übergeht, während niedrige Werte in der wässrigen Phase verbleiben (Tabelle 1) |
Exposition und Auswirkungen von BTEX: Die Exposition gegenüber BTEX kann entweder durch das Trinken von verunreinigtem Wasser (Verschlucken), durch das Einatmen von verunreinigter Luft beim Pumpen von Gas oder von Wasser beim Duschen oder Waschen (Einatmen) oder durch Verschütten auf der Haut erfolgen.
Eine akute (kurzfristige) Exposition gegenüber Benzin und seinen Bestandteilen Benzol, Toluol und Xylole wurde mit Haut- und Sinnesreizungen, Störungen des Zentralnervensystems (Müdigkeit, Schwindel, Kopfschmerzen, Koordinationsverlust) und Auswirkungen auf das Atmungssystem (Augen- und Nasenreizung) in Verbindung gebracht. Neben Haut-, Sinnes- und ZNS-Problemen kann eine längere Exposition gegenüber diesen Verbindungen auch das Nieren-, Leber- und Blutsystem beeinträchtigen.
Bioremediation von BTEX: Die Bioremediation ist eine Technik zur Sanierung von kontaminiertem Boden und Grundwasser. Bei dieser Technik bauen Mikroorganismen die organischen Bestandteile zu CO2 und Wasser ab. Um die Abbaugeschwindigkeit zu erhöhen, können Sauerstoff und Nährstoffe zugeführt werden. Wenn nichts zugeführt wird, spricht man von einem intrinsischen biologischen Abbau. Der Abbau kann unter Verwendung anderer Elektronenakzeptoren als Sauerstoff erfolgen. Beispielsweise kann Toluol über einen anaeroben Weg unter Verwendung von Nitrat als Elektronenakzeptor abgebaut werden (Soerensen, 1996).
Es wurde angenommen, dass die Bioremediation von BTEX-Verunreinigungen im Boden auf einheimischen Bakterienpopulationen beruht; die Bedeutung von Pilzen wurde übersehen. Pilze halten im Allgemeinen härteren Umweltbedingungen stand als Bakterien und könnten eine wichtige Rolle beim Abbau von Mineralölkohlenwasserstoffen im Boden spielen (Bossert und Bartha, 1984). Dennoch wurde der Pilzabbau von BTEX-Gemischen nur in begrenztem Umfang mit Weißfäulepilzen untersucht (Braun-Lullemann et al., 1995; Yadav und Reddy, 1993). BTEX wurden mineralisiert, unterstützten aber nicht das Pilzwachstum, wenn sie als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zugeführt wurden. Die extrazellulären, Lignin abbauenden Enzyme sind in der Lage, ein breites Spektrum an aromatischen Kohlenwasserstoffen zu oxidieren, scheinen aber nicht am BTEX-Abbau beteiligt zu sein. Die geringen Abbauraten und der Bedarf an einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle schränken die Verwendung von weißfaulem Pilz bei der Bioremediation ein. Wenn kohlenwasserstoffabbauende Mikroben für die Bioremediation von Benzinverschmutzungen eingesetzt werden, ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie auf ein einziges Substrat treffen. Wir berichteten zuerst, dass die Bacillus cereus-Gruppe für den biologischen Abbau von TCE (Trichlorethylen) eingesetzt wird (Mitra und Roy, 2010), und es wurde auch getestet, dass der Abbau von TCE in Gegenwart von Toluol verstärkt werden kann. Einige Studien, die sich mit Substratinteraktionen während des Abbaus von BTEX-Gemischen durch Bakterien (Rhodococcus rhodochrous, Arthrobacter sp. Pseudomonas sp.) beschäftigen, wurden veröffentlicht (Alvarez und Vogel, 1991; Chang et al., 1993), aber analoge Daten für Pilze sind immer noch sehr rar.
Eine bakterielle Mischkultur (Paenibacillus pabulli, Micromonospora sp., Proteus mirabilis, Bacillus pumilus, Burkholderia sp., Xanthomonas sp, Bacillus coagulans, Bacillus stearothermophilus, Bacillus pallidus, Bacillus smithii und Klebsiella pneumonia) wurde an einem stark verschmutzten Standort in der östlichen Region von Saudi-Arabien isoliert und ist in der Lage, BTEX effizient abzubauen (Mohamed Arafa, 2003).
Der Bodenpilz Cladophialophora sp. Stamm T1 (Prenafeta-Boldu et al., 2002) war in der Lage, auf einer wasserlöslichen Modellfraktion von Benzin zu wachsen, die alle sechs BTEX-Komponenten (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und die Xylolisomere) enthielt. Benzol wurde nicht metabolisiert, aber die alkylierten Benzole (Toluol, Ethylbenzol und Xylole) wurden durch eine Kombination von Assimilation und Co-Metabolismus abgebaut.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Studie fasst die BTEX-Kontaminanten und ihre Eigenschaften zusammen, die durch Bioremediation aus dem Grundwasser entfernt werden sollen. Denn die Bioremediation ist eine der umweltfreundlichsten Methoden zum Abbau giftiger Chemikalien. BTEX-kontaminierte Böden können einige Mikroorganismen beherbergen, die BTEX abbauen und als Nährstoff nutzen würden. Nach dieser einfachen Logik untersuchten wir die Bodenmikroorganismen im Boden eines Industriegebiets, des Depots der Indian Oil Corporation in Rajbandh bei Durgapur. Unser Isolat, Stamm 2479, wurde aus dem Boden des Industriegürtels in Rajbandh (Westbengalen, Indien) isoliert, wo polychlorierte Kohlenwasserstoffe (einschließlich TCE) im Überfluss vorhanden sind (Dey und Roy, 2009). TCE ist ebenfalls ein Umweltschadstoff und auch ein Leberkrebserreger. Der Grund, warum die BTEX, die in unser Boden- und Grundwassersystem gelangen, als so ernstes Problem angesehen werden, ist, dass sie alle akute und langfristige toxische Wirkungen haben. Alle BTEX-Verbindungen sind akut toxisch und haben bei hohen Konzentrationen spürbare gesundheitliche Auswirkungen. Die Exposition gegenüber diesen Verbindungen in Grundwassersystemen ist in der Regel minimal, aber die Exposition kann über einen langen Zeitraum anhalten (Langzeiteffekte). Diese Studie deutet also darauf hin, dass die Exposition gegenüber BTEX durch einen Ölunfall mit einem erhöhten Risiko für gesundheitliche Auswirkungen verbunden ist und daher geeignete Maßnahmen ergriffen werden müssen. In der vorliegenden Studie legen wir den Schwerpunkt auf die Bioremediation von BTEX, da sie billiger und umweltfreundlicher ist als andere Methoden wie Dampfphasenextraktion, Air Sparging, Air Striping usw.
HINWEISE
Die Autoren bedanken sich bei Dr. Ashis Kumar Mondal für die großzügige Unterstützung des Programms. Die Autoren sind Sri Sushil Kumar Sinha für die technische Unterstützung bei der Computerarbeit zu Dank verpflichtet.
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