Natuurlijke afbraak van VOCl in de bodem kan via verschillende biologische routes (en eventueel abiotisch) verlopen. Het type route en de snelhed van de omzetting is afhankelijk van de in het bodem heersende milieu-omstandigheden zoals pH, temperatuur, redoxpotentiaal, aanwezigheid van andere verontreinigingen, de beschikbaarheid van nutriënten en electronendonoren/-acceptoren alsmede van de aanwezigheid van geschikte bacteriën. Om natuurlijke afbraak aan te tonen zijn specifieke meetstrategiëen ontwikkeld
De term 'natuurlijke afbraak'
In Amerika hanteert men voor natuurlijke afname van concentraties aan verontreinigende stof de term Natural Attenuation (NA), wat wordt gezien als het proces van ‘verdwijning’ van verontreiniging als gevolg van het totaal van biologische afbraak, verdunning, dispersie, sorptie, vervluchtiging en abiotische omzetting. In Nederland wordt met NA vooral de natuurlijke biologische afbraak bedoeld (en eventueel de abiotische afbraak), omdat wij vinden dat slechts dan sprake is van echte verdwijning (ofwel: Dilution is no solution to pollution).
Zie Cahier Natuurlike afbraak voor meer informatie over natuurlijke afbraak van bodemverontreiniging in het algemeen.
VOCl afbraak mechanismen
Biologische afbraak van VOCl zal alleen dan plaatsvinden als de stoffen in oplossing zijn gegaan. In puur product vindt geen afbraak plaats vanwege de toxiciteit van de stoffen (vetoplossend!). De afbraak is daarbij afhankelijk van milieuomstandigheden zoals pH, temperatuur, redoxpotentiaal, aanwezigheid van andere verontreinigingen en de beschikbaarheid van nutriënten en elektronendonoren/-acceptoren.
De natuurlijke afbraak van VOCl-verontreinigingen in de bodem is het gevolg van het metabolisme van micro-organismen. Bij deze metabolische reacties worden elektronen van de ene stof (de elektronendonor) naar de andere stof (de elektronenacceptor) overgedragen waarbij energie vrijkomt. Deze reacties heten reductie-oxidatiereacties (redox-reacties). Afhankelijk van de redoxomstandigheden kunnen bepaalde verontreinigingen moeilijk of zelfs in het geheel niet worden afgebroken. Als elektronendonor kunnen organische verbindingen worden gebruikt (dus ook VOCl!), wat ook wel ‘brandstof’ of 'koolstofbron' wordt genoemd. De parameter hiervoor in het grondwater is het DOC gehalte (Dissolved Organic Compounds).
De verschillende VOCl afbraakmechanismen zijn onder te verdelen in:
Voor meer detail, klik op het betreffende afbraak mechanisme. Voor een overzicht zie Een samenvattend overzicht van de VOCl afbraakmogelijkheden
Randvoorwaarden natuurlijke afbraak
Gelet op voorgaande uiteenzetting zijn er een aantal randvoorwaarden waaraan moet worden voldaan wil er sprake zijn van natuurlijke VOCl afbraak.
- Geschikte redoxomstandigheden, liefst blijvend in de tijd. Liefst zo laag mogelijk (methaanvormend, met methaan > 1 mg/l en sulfaat < 10 mg/l), maar overgangen in een pluim van anaërobe naar aërobe omstandigheden leveren ook mogelijkheden op voor volledige afbraak van VOCl.
- Geschikte voedingsomstandigheden (DOC en nutriënten), liefst blijvend in de tijd. De aanwezige voedingsstof moet geschikt en beschikbaar zijn voor biologische afbraak en in voldoende mate aanwezig zijn (DOC > 10 mg/l). Daarnaast moeten geschikte stikstof- en fosfor-verbindingen aanwezig zijn (ammonium en ortho-fosfaat).
- De aanwezigheid van een dechlorerende bacteriepopulatie.
Verschillende anaërobe bacteriën zijn in staat om VOCl af te breken. Dehalococcoïdes ethenogenes is tot nu toe het enige geïsoleerde micro-organisme waarvan bekend is dat deze PER volledig kan omzetten naar etheen, alhoewel de laatste stap van VC naar etheen co-metabool is. Er zijn andere Dehalococcoïdes species die deze laatste stap wel metabool uitvoeren. De aanwezigheid van Dehalococcoides species is daarmee een belangrijke indicatie voor het optreden van volledige afbraak onder anaërobe omstandigheden.
- Gunstige pH (5,5 - 8,5).
- Geen remming van de activiteit door de aanwezigheid van toxische verbindingen.
Veldomstandigheden en pluimgedrag
Nederland is een rivierdelta waarvan de toplaag bestaat uit geologische afzettingen die relatief jong zijn en rijk aan organisch stof. Het grondwater in Nederland is met name in de lagere gebieden over het algemeen sulfaatreducerend tot methaanvormend, omdat in de toplaag een grote biologische activiteit heerst, waardoor zuurstof en nitraat snel worden weggevangen uit het in de bodem wegzakkende (regen)water. Hier zal in geval van een VOCl-verontreiniging met name reductieve dechlorering het dominante dechloreringsproces zijn. Als de voedingsomstandigheden gunstig zijn, zal zelfs (snelle) volledige dechlorering op kunnen treden. Dit laatste is bijvoorbeeld het geval in veengebieden of in gebieden waar het watersysteem gekoppeld is aan een hoogveengebied (zoals het Drents Plateau). In stadgebieden kan rioollekkage ook tot gunstige voedingsomstandigheden in het grondwater leiden. Ook in gedempte grachten is vaak sprake van voor dechlorering gunstige voedingsomstandigheden. In de hoger gelegen gebieden, waar sprake is van infiltratie en weinig organisch stof in de toplaag (arme zandgrond) kan in het grondwater sprake zijn van ijzer (III)-, nitraatreducerende, of zelfs aërobe omstandigheden. In dat geval zal vaak nauwelijks reductieve dechlorering optreden, maar onder de licht gereduceerde omstandigheden (ijzer- en nitraatreductie) zijn wel oxidatieve reacties (met cis-DCE en/of VC als elektronendonor) mogelijk en bij aanwezigheid van zuurstof kunnen co-metabole reacties een grote rol spelen.
Aantonen van natuurlijke afbraak
Bij onderzoek naar natuurlijke afbraak van VOCl op een locatie wordt onderzocht of natuurlijke afbraak optreedt met voldoende snelheid en of verwacht mag worden dat dit proces zich doorzet in de toekomst. Zowel in Nederlands als Europees verband zijn er richtlijnen geschreven hoe een dergelijk onderzoek op te zetten.
De belangrijkste aspecten bij een onderzoek naar natuurlijke afbraak zijn:
- Een juiste meetstrategie
- Bepaling afbraakproducten
- Bepaling redoxomstandigheden
- Bepaling voedingsstof en nutriënten gehalte
- Bepaling duurzaamheid natuurlijke afbraak
- Detectie dechlorerende bacteriën
- Bepaling afbraaksnelheden
- Monitoring en stoftransportmodellering
Zie verder Aantonen natuurlijke afbraak VOCL
Een quickscan voor het aantonen van het optreden van NA van VOCl via reductieve dechlorering:
- Aantonen van de afwezigheid van zuurstof (< 1mg/l), nitraat (<1 mg/l) en sulfaat ( <10 mg/l) en de aanwezigheid van methaan (> 1 mg/l).
- Aantonen van aanwezigheid van DOC > 10 mg/l.
- Aantonen van de aanwezigheid van reductieve dechloreringsproducten (waaronder etheen en/of ethaan).
- Eventueel aanvullend aantonen van de aanwezigheid van Dehalococcoides ethenogenes in een grondwatermonster (met een MPN-PCR analyse).
Zie Cahier Natuurlike afbraak voor meer informatie over natuurlijke afbraak van bodemverontreiniging in het algemeen.
Referenties en aanvullende informatie