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Sauerstoffdynamiken im Kapillarsaum

Mapping des Sauerstoffverbrauchs von Pseudomonas fluorescens mit VisiSens™

Norman Hack & Harald Horn
Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland

Der Kapillarsaum ist eine hochaktive Zone für chemische und biologische Umwandlungsprozesse am Übergang von ungesättigter Zone und Grundwasser. In diesen Experimenten wurde zur Untersuchung des aeroben biologischen Abbaus im Kapillarsaum eine Hele-Shaw-Zelle verwendet. Für die nicht-invasive Abbildung der Stoffwechselaktivität mit VisiSens™ wurden Sauerstoffsensorfolien in die Zelle integriert. Tests wurden mit und ohne P. fluorescens durchgeführt, und zusätzlich mit simuliertem Grundwasserfluss. Ohne den Mikrobenstamm konnte keine Änderung der Sauerstoffkonzentration gemessen werden, während in Gegenwart von P. fluorescens der aerobe biologische Abbau einer Modellverbindung in den über die Zeit aufgezeichneten Sauerstoffbildern eindeutig nachgewiesen werden konnte. In den Experimenten mit simuliertem Grundwasserfluss waren die biologische Aktivität und der Sauerstoffverbrauch noch höher.

Aufgrund der großen Menge an synthetischen organischen Mikro-Schadstoffen ist deren Verhalten, Dispersion und biologische Abbaubarkeit von großer Bedeutung für das Verständnis von biologischen Abbauprozessen in der Umwelt. In diesem Teilprojekt der DyCap (Dynamic Capillary Fringe) Forschungsgruppe ist es das Hauptziel, den Stofftransport und die biologische Transformation zu untersuchen. Experimente mit organischen Verbindungen (z. B. Salicylsäure, Röntgenkontrastmittel) werden in Batch- (Diffusion), Säulen- (Vertikalfluss) und Durchflusszellen- (Horizontal- und Vertikalfluss: 2-dimensionaler Durchfluss-Mikrokosmos) Systemen / Setups durchgeführt. Die Konzentration von gelöstem Sauerstoff spielt eine wichtige Rolle beim biologischen Abbau. Aerobe Mikroorganismen im Kapillarsaum (CF) verwenden den gelösten Sauerstoff, um synthetische organische Mikroschadstoffe zu oxidieren. Sauerstoff ist ein Elektronenakzeptor für (bio-)chemische Redoxreaktionen und somit ein Indikator für die biologische Aktivität. In früheren Experimenten wurde gelöster Sauerstoff nicht-invasiv mittels Optrodentechniken nachgewiesen (Fibox 3, PreSens Precision Sensing GmbH). Diese Sauerstoffstreifen haben den Vorteil, dass man Sauerstoff schnell eindimensionalen messen kann. Für die 2-dimensionale Visualisierung und Entwicklung von Sauerstoffprofilen bieten dagegen VisiSens™ Sensorfolien (PreSens Precision Sensing GmbH) wesentliche Vorteile. Die Entwicklung von sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bereichen kann in Zeitraffer visualisiert werden. Damit sind Übergänge und Hotspots (aufgezeichnete Zonen mit Sauerstoff) eindeutig bestimmbar und überprüfbar. Mit diesen Daten können, z. B.  Bioabbaukinetiken in frei definierbaren Zonen oder an bestimmten Punkten beurteilt werden.

Material & Methoden

Zur Simulation der natürlichen Bodenmatrix wurde eine Hele-Shaw-Zelle (2D; 150 x 150 x 10 mm3) mit Quarzsand definierter Korngröße (dp = 200 - 600 μm) gefüllt (Abb. 1). Die Hele-Shaw-Zellen und Schläuche wurden 1 Stunde bei T = 121 °C sterilisiert, um andere mikrobielle Verunreinigungen zu vermeiden. Die Änderung der Luftsättigung im Laufe der Zeit wurde in der Hele-Shaw-Zelle unter drei verschiedenen experimentellen Bedingungen beobachtet:
1. Inokulation der Modellverbindung durch Kapillarkraft (von unten nach oben) für bis zu 15 Stunden ohne Zusatz von P. fluorescens
2. Inokulation der Modellverbindung durch Kapillarkraft (von unten nach oben) für bis zu 30 Stunden mit zugesetzten P. fluorescens.
3. Um das Grundwasserströmungsverhalten zu simulieren, wurde die Modellverbindung mittels einer Peristaltikpumpe (Flussrate: 60 μl/min) für bis zu 24 Stunden durch den Einlassschlauch zugegeben. P. fluorescens wurde Schritt für Schritt abwechselnd mit Sand in die Hele-Shaw-Zelle eingeimpft, um eine gleichmäßige Verteilung in der Matrix sicherzustellen.
Zum Nachweis von gelöstem Sauerstoff wurden ein Sensorstreifen (zur Kontrolle; 10 x 20 mm2 mit Fibox 3 ausgelesen) und die VisiSens™ Sensorfolie (SF-RPSU4, 40 x 40 mm2) verwendet, die eine schnelle, in situ und nicht-invasive Messung ermöglichten. Das Sauerstoffverhältnis und die Konzentration wurden alle 10 Minuten über bis zu 30 Stunden gemessen. Die Dynamik in der Luftsättigung wurde aus Fibox-Messungen sowie aus VisiSens™ Zeitreihenmessungen von gelöstem Sauerstoff abgeleitet.

O2 Dynamik in der Hele-Shaw Zelle

Ohne P. fluorescens und ohne simulierten Grundwasserfluss wurde erwartungsgemäß innerhalb von 15 Stunden keine Veränderung der Luft / Sauerstoffsättigung gemessen. Die gelb dargestellte Fläche in Abb. 2 A entspricht einer Luftsättigung von 100 % (ROI: 0.8205). Der dunklere Bereich in der Mitte jedes Bildes scheint ein Artefakt zu sein, verursacht durch Reflektionen der Kamaera-LED-Lichter. In Gegenwart von P. fluorescens und ohne simulierten Grundwasserfluss konnte eine Veränderung der Sauerstoffsättigung innerhalb von 30 Stunden beobachtet werden (Abb. 2 B). Der aerobe biologische Abbau der Modellverbindung begann nach 10 Stunden. P. fluorescens verbrauchte Sauerstoff besonders im unteren Teil (0 - 2 cm) und es bildete sich eine anoxische Zone (schwarz gefärbt, ROI: 1.29). Aufgrund des experimentellen Aufbaus ist die Konzentration von P. fluorescens nahe dem Boden der Hele-Shaw-Zelle höher als in oberen Regionen (> 4 cm), da ihr Transport an die Kapillarkraft gekoppelt ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Adsorption auf Sand oder Verklumpungen. Daher ist die Sauerstoffverbrauchsrate nicht gleichmäßig über die Hele-Shaw-Zelle verteilt (z. B. nach 19 und 21 Stunden). Veränderungen der Sauerstoffsättigung innerhalb von 24 Stunden in Gegenwart von P. fluorescens und simulierter Grundwasserströmung sind in Abb. 3 A dargestellt. Im Vergleich zu Versuchsergebnissen ohne Zu- und Ablauf und Kapillarwirkung als einziger treibenden Kraft waren die biologische Aktivität und Sauerstoffverbrauchsraten viel höher. Die anoxische Zone (ROI: 1.3065) erreicht eine Breite von 8 cm des Kapillarsaumes. Dies ist auf eine gleichmäßige Verteilung von P. fluorescens zurückzuführen. Die anoxische Zone wurde von links nach rechts mit abnehmendem Gradienten gebildet (angezeigt durch den gelben Pfeil nach 20 Stunden). Dies geht mit der kontinuierlich aufgefrischten Konzentration der Modellverbindung in der Nähe der Einlassöffnung einher. Nach 21 Stunden wurden verschiedene sauerstoffreiche Hotspots gebildet. Dies liegt an der womöglich variierenden Schüttdichte der Matrix. P. fluorescens verbrauchte über den gesamten Versuchzeitraum hinweg Sauerstoff in dieser Region und der gesamte untersuchte Bereich wurde anoxisch. Die Abbaukinetik des Sauerstoffverbrauchs wurde bestimmt (über das Z-Profil) und eine Anpassungskurve berechnet (Abb. 3 B). Die angepasste Kurve folgt der erwarteten Kinetik erster Ordnung.

Zusammenfassung

In drei Experimenten wurde die Sauerstoffaufnahme mit sauerstoffempfindlichen Folien und dem VisiSens™ Imagingsystem bestimmt. Nach Zugabe eines Mikrobenstammes (Pseudomonas fluorescens) und einer Modellverbindung (Substrat) nahm die Sauerstoffkonzentration in der Hele-Shaw-Zelle ab. Die VisiSens™ Folie zeigte das erwartete Sauerstoffprofil über die Zeit. VisiSens™ bietet viele Vorteile, insbesondere die Online-Messung und die Möglichkeit Sauerstoffverteilung lokal aufgelöst zu untersuchen. Es macht das "Sauerstoffprofil vs. Höhe des Kapillarsaumes" sichtbar. Die sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bereiche, Hotspots und auch die Grenzflächen sind deutlich unterscheidbar. Es ist leicht zu handhaben und eine gute Alternative zur Einzelpunktmessung, wie die Fibox-Streifen, um schnelle in situ Messungen durchzuführen.

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