Prozessverständnis des LCKW-AbbausAktueller Kenntnisstand und neue Forschungsaktivitäten
Kathrin Schmidt, Andreas Tiehm
April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
VORTRAGSINHALTE
warum Mikrobiologie bei NA?
aktueller Kenntnisstand zum mikrobiellen Abbau von Chlorethenen
Vor- und Nachteile der verschiedenen Abbauprozesse
Nachweis mikrobieller Abbauprozesse im Feld
Forschungsaktivitäten am TZW
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WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ?
ungesättigte Bodenzone
Industrie‐standort
AquifergesättigteBodenzone
Grundwasser‐Fließrichtung
SchadensherdeAblagerung
DNAPL (LCKW)
Aquitard
WasserwerkRezeptor
NA-Prozesse bewirken die Elimination der Schadstoffe
Schadstofffahne
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WARUM MIKROBIOLOGIE BEI NA ?
„natürliche Schadstoffminderungsprozesse (Natural Attenuation = NA) sind physikalische, chemische und biologische Prozesse,die ohne menschliches Eingreifen zu einer Reduzierung von
Masse Fracht Toxizität Mobilität Volumen Konzentration LABO-Positionspapier
eines Stoffes im Boden oder Grundwasser führen“
sind bei vielenGrundwasserschäden
die maßgebendenfrachtreduzierenden
Prozesse
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MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
Aerob-oxidativer Abbauje weniger Chloratome desto leichter abbaubar
CO2
Cl-
H2OH HC = C
H Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl Cl
Anaerob-reduktiver Abbauje mehr Chloratome desto leichter abbaubar
Auxiliar-substrate
PCE
TCE
cDCE
VC
Ethen
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
H H
H2
Chlorethene Sauerstoff(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptor)werden oxidiert wird reduziert
Auxiliarsubstrate Chlorethene(Elektronen-Donoren) (Elektronen-Akzeptoren)werden oxidiert werden reduziert
O2
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EthenVCcDCETCE
ungesättigte Bodenzone
Industrie‐standort
AquifergesättigteBodenzone
Grundwasser‐Fließrichtung
SchadensherdeAblagerung
DNAPL (LCKW)
Aquitard
PCE
Anaerobe, stark reduzierende Milieubedingungen erforderlichAnwesenheit von Dehalococcoides sp. erforderlich
VOLLSTÄNDIGE ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNG
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
WasserwerkRezeptor
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Desulfomonile sp.Desulfuromonas sp. Dehalobacter sp.Desulfitobacterium sp.
Dehalococcoides sp.H H
C = CH Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl Cl
Anaerob-reduktiver Abbau Reduktive Dechloriererje mehr Chloratome desto leichter abbaubar
Auxiliar-substrate
PCE
TCE
cDCE
VC
Ethen
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
H H
H2
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
REDUKTIV DECHLORIERENDE BAKTERIEN
Begleitreaktionen wieSulfatreduktion undMethanogenese
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ungesättigte BodenzoneSchadensherde
Ablagerung
DNAPL (LCKW)
Aquitard
PCE EthenVCcDCETCE
Industrie‐standort
Methan
H 2SMethan
Methan
H 2S
AquifergesättigteBodenzone
unkontaminiertesoxidiertes Grundwasser
unkontaminiertesstark reduziertes Grundwasser
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNGMIT BEGLEITREAKTIONEN: BILDUNG VON CH4 UND H2S
WasserwerkRezeptor
Grundwasser‐Fließrichtung
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ungesättigte Bodenzone
AquifergesättigteBodenzone
SchadensherdeAblagerung
DNAPL (LCKW)
Aquitard
PCE VCcDCETCE
wird oft beobachtet bei- nicht ausreichend anaerobem Milieu - Abwesenheit von Dehalococcoides sp.
WasserwerkRezeptor
Industrie‐standort
kontaminiertesggf. reduziertes Grundwasser
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
ANAEROB-REDUKTIVE DECHLORIERUNGMIT AKKUMULATION VON cDCE UND VC
Grundwasser‐Fließrichtung
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ungesättigte Bodenzone
AquifergesättigteBodenzone
SchadensherdeAblagerung
DNAPL (LCKW)
Aquitard
VCcDCETCE
Anaerobe Milieu-bedingungen
Aerobe Milieu-bedingungen
WasserwerkRezeptor
Industrie‐standort
PCE
unkontaminiertesoxidiertes Grundwasser
CO2
Cl-H2O
MIKROBIELLER ABBAU VON CHLORETHENEN
AEROBER ABBAU VON TCE, cDCE UND VC
Grundwasser‐Fließrichtung
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VORTEILE
DES AEROBEN ABBAUS GEGENÜBER DEM ANAEROBEN ABBAU
keine Bildung stabiler toxischer Metabolite
keine reduzierenden Bedingungen erforderlich kein Bedarf an Auxiliarsubstraten zur Zehrung von Sauerstoff und weiterer alternativer Elektronen-Akzeptoren
keine Begleitprozesse wie Sulfat-Reduktion und Methanogenese keine Verschlechterung der Grundwasserqualität
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cometabolischer Abbau mit Auxiliarsubstraten
produktiver Abbau ohne Auxiliarsubstrate
CO2
Cl-
H2O
O2
Chlorethene werden als Energiequelle oxidiertund dienen als Wachstumssubstrat
Cl ClC = C
Cl ClPCE
Cl HC = C
Cl ClTCE
H HC = C
Cl ClcDCE
H HC = C
H ClVC
CO2
Cl-
H2O
O2
Auxiliar-substrate
Auxiliarsubstrate werden als Energiequelle oxidiertChlorethene werden zufällig mit umgesetzt
wiederholt in der Literatur beschrieben
vereinzelt in der Literatur beschriebenoft bleibt die Rolle von z.B. Ammonium als mögliches Auxiliarsubstrat unklar
sehr vereinzelt mit Toluol beschrieben
z.B. mit Ammonium, Methan
z.B. mit Ammonium, Methan
z.B. mit Ammonium, Methan
AEROBER ABBAU VON CHLORETHENEN
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(für die Umsetzung von 1 mg CKW verwendete Menge, Literatur)Auxiliarsubstrate
(6,9 mg) Ammonium NH4+ + 2 O2 NO3
- + H2O + 2 H+
(5,6 mg) Methan CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
(100 mg) Essigsäure CH3COOH + 2 O2 2 CO2 + 2 H2O
produktiver Abbau:(0 mg) cDCE C2H2Cl2 + 2 O2 2 CO2 + 2 HCl
(für die Umsetzung von 1 mg CKW verwendete Menge, Literaturdaten)
(6,9 mg)
(5,6 mg)
(100 mg)
(0 mg)
beim produktiven Abbau kein Bedarf an Auxiliarsubstraten
COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU
UMSETZUNG DER AUXILIARSUBSTRATE
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beim produktiven Abbau keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate
27 mg CKW produktiv
13 mg Na-Essigsäure als Auxiliarsubstrat
2,5 mg Methan als Auxiliarsubstrat
2,8 mg Ammonium als Auxiliarsubstrat
10 mg Sauerstoff ermöglichen den Abbau von
0 20 40 60 80 100
prozentualer Sauerstoffverbrauch [%]
0,40 mg CKW cometabolisch
0,44 mg CKW cometabolisch
0,13 mg CKW cometabolisch
COMETABOLISCHER AEROBER ABBAU
SAUERSTOFFZEHRUNG DURCH AUXILIARSUBSTRATE
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VORTEILE
DES PRODUKTIVEN ABBAUS GEGENÜBER DEM COMETABOLISCHEN ABBAU
kein Bedarf an Auxiliarsubstraten keine zusätzlichen Kosten keine Probleme mit Einmischung etc.
geringerer Bedarf an Sauerstoff, da keine zusätzliche Sauerstoff-Zehrung durch Auxiliarsubstrate
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NACHWEIS MIKROBIELLER NA-PROZESSE IM FELD
Schadstoffprofil
Hydrochemie, Redoxzonierung
Mikrobiologische Bestandsaufnahme (MPN)
Molekularbiologischer Nachweis (PCR)
Mikrobiologische Abbauversuche
Isotopenfraktionierung
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SCHADSTOFFPROFIL
Schadstoffprofil am Standortkann Hinweise aufAbbauvorgänge geben
Spezifische Metabolite im Abstrom
zeigen Schadstoffumsetzung
(mikrobiologisch oder abiotisch)
H HC = C
H Cl
H HC = C
H Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl ClPCE
TCE
cDCE
VC
Ethen
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
H H
H HC = C
H H
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HYDROCHEMIE
Hydrochemische Standort-Bedingungen grenzen mögliche Abbauprozesse ein
Nachweis von Elektronen-Akzeptoren (Sauerstoff, Nitrat, Eisen, Mangan, Sulfat) und Respirationsprodukten ( Redoxzonierung)
Informationen über die Verfügbarkeit von Auxiliarsubstraten, Nährstoffen
O2 H2O
NO3- N2
Fe(III) Fe(II)
Mn(IV) Mn(II)
SO42- S2-
CO2 CH4
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MIKROBIOLOGISCHE BESTANDSAUFNAHME
MIT DEM MPN-TEST (MOST PROBABLE NUMBER)
Quantifizierung von Mikroorganismen-gruppen in Grundwasser- oder Bodenproben
Vergleichende Quantifizierung aktiver Schadstoff-abbauender Gruppen
Nachweis redox-aktiver Gruppen ergänzt hydrochemische Daten zur Redoxzonierung
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABC
EFGH
D
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABC
EFGH
D
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MOLEKULARBIOLOGISCHER NACHWEIS
MIT PCR (POLYMERASE CHAIN REACTION)
Selektiver Nachweis Schadstoff-abbauender Spezies in Grundwasser- oder Bodenproben
Spezifische mikrobiologische Populationsanalyse
Schneller Nachweis der DNA ausgewählter Organismen (müssen molekularbiologisch charakterisiert sein)
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MIKROBIOLOGISCHE ABBAUVERSUCHE
Nachweis am Standort auftretender mikrobiologischer Abbauprozesse
Standortmaterial (Grundwasser, Sediment)
Mikrokosmen
Inkubation unter Standort-nahen Bedingungen
Untersuchung von Schadstoffabbau und Redoxprozessen
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Nachweis mikrobiologischer NA-Prozesse am Standort mittels chemischer Analytik
Quellendifferenzierung und Verursacherzuordnung
Quantifizierung des biologischen Abbaus
13/12C-ISOTOPENFRAKTIONIERUNG
Bakteriensetzen 12C schneller
um als 13C
Bakteriensetzen 12C schneller
um als 13C
13C
13C
13C13C
12C12C
12C12C
12C12C
12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C 12C
12C 12C12C
12C
13C13C
13C
13C
13C13C
12C12C
12C12C
12C12C
12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C 12C
12C 12C12C
12C
13C13C
Ausgangssubstanz mit spezifischem
Isotopenverhältnisδ13C z.B. -25‰
gebildete Verbindung
abgereichert an 13C
δ13C z.B. -30‰„leichter“
13C12C
12C12C
12C12C12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C12C
13C
verbleibende Substanz
angereichert an 13C
δ13C z.B. - 15‰„schwerer“
13C13C
12C12C
12C
12C12C12C
13C13C
und
gebildete Verbindung
abgereichert an 13C
δ13C z.B. -30‰„leichter“
13C12C
12C12C
12C12C12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C12C
13C
gebildete Verbindung
abgereichert an 13C
δ13C z.B. -30‰„leichter“
13C12C
12C12C
12C12C12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C12C
13C
13C12C
12C12C
12C12C12C
12C12C12C
12C
12C12C
12C12C
13C
verbleibende Substanz
angereichert an 13C
δ13C z.B. - 15‰„schwerer“
13C13C
12C12C
12C
12C12C12C
13C13C
13C13C
12C12C
12C
12C12C12C
13C13C
und
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Ein umfassendes Prozessverständnis der biologischen Abbauvorgänge an einem Standort
- ist für die Anwendung von NA (MNA / ENA) erforderlich
- ermöglicht eine Gefährdungsabschätzung und Prognose
- wird erreicht durch
- eine abgestufte Vorgehensweise
- angepasst an die Standort-Begebenheiten
- verschiedene Methoden in Kombination (multiple lines of evidence approach)
H HC = C
H Cl
H HC = C
H Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl ClPCE
TCE
cDCE
VC
Ethen
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
H H
H HC = C
H H
O2 H2O
NO3 N2
Fe(III) Fe(II)
Mn(IV) Mn(II)
SO4 S2-
CO2 CH4
1 2 3 4 5 6 7 8 9101112ABCEFGH
D
1 2 3 4 5 6 7 8 9101112ABCEFGH
D
PolymerasePrimer
1
3
2
ZUSAMMENFASSUNG FELDANWENDUNG
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
BMBF (RUBIN – GaFeR): Teilprojekt Analyse und mögliche Steuerung mikrobiologischer Prozesse zur Ertüchtigung von Fe(0)-Reaktionswänden
BMBF (KORA): Feldstudie zum natürlichen Abbau und Rückhalt von Chlorkohlenwasserstoffen am Beispiel des Industriestandortes Frankenthal – Mechanismen und Kinetik des LCKW-Abbaus
BMBF (KORA): Untersuchungen zum Natural Attenuation der LCKW-Verunreinigung Karlsruhe-Ost/Killisfeld –Mikrobiologischer LCKW-Abbau unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von Huminstoffen
BMWi (AiF – ZUTECH): Entwicklung eines Bio-Elektro-Verfahrens zur in-situ Sanierung von LCKW-Schäden
ABGESCHLOSSENE PROJEKTE
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Nitrat-Reduktion
Sulfat-Reduktion
Methanogenese
Acetogenese
0 200 400 600 800 1000 1200
Versuchsdauer (Tage)
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
pH-W
ert
H2-konsumierende Prozesse vermindern Gas-Clogging
Nitrat-Reduktion
Sulfat-Reduktion
Methanogenese
Acetogenese
0 200 400 600 800 1000 1200
Versuchsdauer (Tage)
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
pH-W
ert
H2-konsumierende Prozesse vermindern Gas-Clogging
FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
ABGESCHLOSSENE PROJEKTE
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
ABGESCHLOSSENE PROJEKTE
Aerob-oxidativer Abbauje weniger Chloratome desto leichter abbaubar
CO2
Cl-
H2O
H HC = C
H Cl
Cl HC = C
Cl Cl
Cl ClC = C
Cl Cl
Anaerob-reduktiver Abbauje mehr Chloratome desto leichter abbaubar
PCE
TCE
cDCE
VC
Ethen
H HC = C
Cl Cl
H HC = C
H H
O2xproduktiver Abbau
ohne Auxiliarsubstrate
Aerober Abbau trägt maßgeblich zur Schadstoff-Elimination bei
Auxiliar-substrate
H2
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
ABGESCHLOSSENE PROJEKTE
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 5 10 15 20
Zeit [Wochen]
c/c 0
[%]
cis-1,2-DichlorethenVinylchlorid
+ VC
+ VC+ cDCE
produktiver Abbau von VC cometabolischer Abbau von cDCE
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
ABGESCHLOSSENE PROJEKTE
Power supply
H2
H2
H2
O2
O2
O2
PCE, TCE cDCE, VC, Ethen
Dechlorinationwith O2
Contaminatedgroundwater
Microbial degradation(reductive)
Microbial degradation(oxidative)
Cathode Anode- +
Groundwater table
Power supply
H2
H2
H2
H2
H2
H2
O2
O2
O2
O2
O2
O2
PCE, TCE cDCE, VC, Ethen
Dechlorinationwith O2
Contaminatedgroundwater
Microbial degradation(reductive)
Microbial degradation(oxidative)
Cathode Anode- +
Groundwater table
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FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN AM TZW
BMWi (AiF – IGF): Nutzung neuer produktiver Abbauprozesse für die aerobe mikrobiologische Sanierung von CKW-Standorten
BMWi (AiF – ZIM): Entwicklung und Anwendung von PCR-Methoden zur schnellen Ermittlung von Isotopen-Anreicherungsfaktoren
BMBF (NanoNature – NAPASAN (Nano-Partikel zur Sanierung von Grundwasserschadensfällen)): Teilprojekt Wechsel-wirkungen zwischen mikrobieller und abiotischer CKW-Dechlorierung – Synergien und toxische Effekte
BMBF (deutsch-israelische Kooperation): Stimulierung des biologischen Abbaus komplexer halogenorganischer Schadstoffe in industriellem Abwasser
LAUFENDE PROJEKTE
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FAZIT
mikrobiologische Abbauprozesse werden in der Altlastenbearbeitung im Rahmen von MNA (Monitored Natural Attenuation) oder ENA (Enhanced Natural Attenuation) genutzt
für die Anwendung von NA (MNA / ENA) ist ein umfassendes Prozessverständnis der biologischen Abbauvorgänge an einem Standort erforderlich
aerobe Abbauprozesse bieten viel versprechende Möglichkeiten
April 2011 MAGPlan – Sauberes Grundwasser für Stuttgart
unseren Zuwendungsgebern (BMBF, BMWi) für die finanzielle Förderung
unseren Projektpartnern für die Zusammenarbeit
unseren Kollegen am TZW für die Mitarbeit
und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!
DANKE
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AUSGEWÄHLTE VERÖFFENTLICHUNGEN
Tiehm A., Schmidt K. R. (2011) Sequential anaerobic/ aerobic biodegradation of chloroethenes – aspects of field application. Curr. Opin. Biotechnol.: in press.
Schmidt K. R., Augenstein T., Heidinger M., Ertl S., Tiehm A. (2010) Stable carbon isotope fractionation during aerobic, metabolic biodegradation of cis-1,2-dichloroethene. 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: 2276-2282.
Schmidt K. R. (2009) Natural attenuation am Standort Frankenthal: mikrobiologischer sequentiell anaerob-aeroberChlorethen-Abbau mit Kohlenstoff-Isotopenfraktionierung. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 43.
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.
Lohner S. T. (2008) Stimulation des mikrobiologischen Chlorethen-Abbaus durch Einsatz von Elektrolyse. Dissertation. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser (ISSN 1434-5765), Band 37.
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.
Martin H., Heidinger M., Ertl S., Eichinger L., Tiehm A., Schmidt K., Karch U., Leve J. (2006) 13C-Isotopenuntersuchungen zur Bestimmung von Natural Attenuation – Abgrenzung und Charakterisierung eines CKW-Schadens am Standort Frankenthal. TerraTech. 3-4: 14-17.
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.
Für weitere Fragen [email protected]; 0721 / 9678-223 [email protected]; 0721 / 9678-137