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NanoSAN – A nanotechnological clean up method – In situ use of iron oxide nanoparticles for elimination of harmful substances from abandoned polluted areas

The NanoSAN project investigated the biological in situ bioremediation of groundwater pollution caused by benzene and tar oil using iron oxide nanoparticles (NP). For the first time, the processes observed were validated in a field test.

The high potential of iron oxide nanoparticles regarding the efficient oxidation of toluene and acetate was confirmed in laboratory tests. Due to their better electron availability, the iron oxide nanoparticles achieved much higher degradation rates than aggregated crystalline iron oxides. Laboratory test of nematodes and microbial sediment growth revealed that ecotoxicological side-effects only occur in the nanoparticles injection area. A screening method was applied to identify and select special iron oxide nanoparticles from goethite (also referred to as needle iron ore) which have a high mobility and reactivity in groundwater and are ecotoxicologically uncritical. A specially developed coating with humins allowed for specific adjusting of the mobility and reactivity of the iron oxide nanoparticles. These modified iron oxide nanoparticles were then the basis for a large scale production of an ion-free suspension together with the development of a suitable hydrophysical injection method.

To monitor the success of the clean-up, innovative, reaction-specific isotope analyses were carried out. Besides, the population dynamics of potential pollutant-degrading microorganisms was traced by means of molecular-genetic methods. At certain places and certain time points, a distinctive stimulation of the biological BTEX degradation (BTEX = aromatic hydrocarbons benzene, toluene, ethylbenzene & xylene) could be observed, which was hampered by unexpected negative effects of floating oil-phase.

As was intended, proof-of-principle for the developed method was provided for in situ groundwater bioremediation. To reach market maturity, however, further development and validation steps will be required.

Grant Number: BMBF - FKZ 003X0085
Duration: 01.07.2010 - 30.06.2013 (extended to 30.06.2014)

Project Lead

Dr. Heinrich Eisenmann, Isodetect GmbH, Neuherberg (DE)

Project Partners

Isodetect GmbH Logo
Isodetect GmbH, Neuherberg (DE)
Institut für Biodiversität (IBN) Logo
Institute for Biodiversity - Network (ibn), Regensburg (DE)
Arcardis Logo
ARCADIS Deutschland GmbH, Darmstadt (DE)
Helmholtz Zentrum München Logo
Helmholtz Centre Munich, Munich (DE)
Friedrich-Schiller Universität Jena Logo
Friedrich Schiller University Jena, Jena (DE)

Publications

2015

  • Hoss S., Fritzsche A., Meyer C., Bosch J., Meckenstock R.U., Totsche K.U. (2015). Size- and composition-dependent toxicity of synthetic and soil-derived Fe oxide colloids for the nematode Caenorhabditis elegans. Environ Sci Technol, 49(1): 544-552.

2014

  • Braunschweig J., Klier C., Schröder C., Händel M., Bosch J., Totsche K.U., Meckenstock R.U. (2014). Citrate influences microbial Fe hydroxide reduction via a dissolution–disaggregation mechanism. Geochim Cosmochim Ac, 139(0): 434-446.

2013

  • Braunschweig J., Bosch J., Meckenstock R.U. (2013). Iron oxide nanoparticles in geomicrobiology: from biogeochemistry to bioremediation. N Biotechnol, 30(6): 793-802.

2012

  • Braunschweig J., J. Bosch, K. Heister, C. Kuebeck and R. U. Meckenstock (2012). Reevaluation of colorimetric iron determination methods commonly used in geomicrobiology.J Microbiol Methods 89(1): 41-48.
  • Fritzsche A., J. Bosch, T. Rennert, K. Heister, J. Braunschweig, R. U. Meckenstock and K. U. Totsche (2012). Fast microbial reduction of ferrihydrite colloids from a soil effluent. Geochimica Et Cosmochimica Acta 77: 444-456.
  • Lee K.Y., J. Bosch and R. U. Meckenstock (2012). Use of metal-reducing bacteria for bioremediation of soil contaminated with mixed organic and inorganic pollutants.Environ Geochem Health 34 Suppl 1: 135-142.
  • Tosco T., J. Bosch, R. U. Meckenstock and R. Sethi (2012). Transport of ferrihydrite nanoparticles in saturated porous media: role of ionic strength and flow rate.Environ Sci Technol 46(7): 4008-4015.

Alle verfügbaren Abschlussberichte des NanoSAN Konsortiums finden Sie auf den Seiten der TIB Hannover https://www.tib.eu/de/

2014

  • Bosch J, Fritzsche A, Frank-Fahle B, Lüders T, Höss S, Eisenmann H, Totsche KU, Held T, Meckenstock RU (2014). Bioremediation einer BTEX-Fahne mit Eisenoxid-Nanopartikeln. DECHEMA Symposium „Strategien zur Sanierung von Boden und Grundwasser 2014", 24.-25.11.2014., Darmstadt, Deutschland. [Poster]
  • Lüders, T., Höss, S., Eisenmann, H., Totsche, K.U., Held, T., Meckenstock, R.U. (2014). Bioremediation einer BTEX-Fahne mit Eisenoxid-Nanopartikeln. DECHEMA Symposium „Strategien zur Sanierung von Boden und Grundwasser 2014", 24.-25.11.2014., Darmstadt, Deutschland. [Vortrag]
  • Fritzsche A., Bosch J., B. Frank-Fahle, C. Meyer, S. Höss, H. Eisenmann, T. Held, T. Ritschel, R. Lehmann, F. Antonini, T. Lüders, K. Totsche, R. Meckenstock (2014). Injection of nanosized iron oxides into aquifers for bioremediation. Jahrestagung der FH-DGG, 28.-31.05.2014, Bayreuth, Deutschland. [Vortrag]
  • Fritzsche A., Ritschel T., Schroder C., Wieczorek A., Muller C., Handel M., Steffens M., Pagels B., Totsche K. (2014). How redox gradients determine the concentrations of mobile arsenic and proteins in soils. DBG-Workshop "Soil processes – is the whole system regulated at hot spots? From micro-scales to the pedon", 04.05.2014, Freising, Deutschland. [Vortrag]
  • Bosch J., Fritzsche,A., Frank-Fahle,B., Lüders,T., Höss S., Eisenmann H., Held T., Totsche K.U., Meckenstock R.U. (2014). Pilot Scale Application of nanosized iron oxides as electron acceptors for bioremediation. European Geosciences Union General Assembly 2014, 27.04.-02.05.2014, Wien, Österreich. [Poster]
  • Fritzsche A., Ritschel T., Totsche K. (2014). Effect of anoxic vs. oxic conditions in soils on composition of mobile OM as revealed from comprehensive fluorescence analysis of soil effluents. European Geosciences Union General Assembly 2014, 27.04.-02.05.2014, Wien, Österreich. [Vortrag]
  • Lüders T., Höss S., Eisenmann H., Held T., Totsche K.U., Meckenstock R.U. (2014). Pilot Scale Application of nanosized iron oxides as electron acceptors for bioremediation. European Geosciences Union General Assembly 2014, 27.04.-02.05.2014, Wien, Österreich. [Poster]
  • Fritzsche A., Bosch J., T. Ritschel, M. Händel, R. Meckenstock, K. Totsche (2014). FTIR spectroscopy-based assessment of mobile goethite colloids after injection into a BTEX-contaminated aquifer - a field study. International Workshop on Nanoparticles in Soils and Waters: Fate, Transport and Effects, 11.-13.03.2014, Landau, Deutschland. Proceedings pp. 44 [Vortrag]

2013

  • Frank-Fahle B., Pilloni G., Höss S. und Lueders. T. (2013). Microbiome impact assessment of iron oxide nanoparticles used for bioremediation of hydrocarbon contaminated aquifers. 2nd Thünen Symposium on Soil Metagenomics, 11.-13. Dezember 2013, Braunschweig, Deutschland. [POSTER]
  • Fritzsche A., Ritschel T., Handel M., Totsche K. (2013) Ferrihydrit-assoziierte organische Substanz unter Berucksichtigung der zeitlichen Variabilitat der Zusammensetzung von bodenburtigen DOM. DBG-Jahrestagung "Böden – Lebensgrundlage und Verantwortung", 07.-12.09.2013, Rostock, Deutschland. [Vortrag]
  • Höss S., Bleik L., Frank-Fahle B., Meyer C., Fritzsche A., Lüders T., Traunspurger W. (2013). Assessing the risk of artificial iron-(III)-oxide nanoaggregates used for groundwater remediation to microbial and nematode communities. 23. Jahrestagung der SETAC Europe, 16. Mai 2013, Glasgow, UK. [POSTER]
  • Frank-Fahle B., Pilloni G., Höss S., Eisenmann H. und Lueders T. (2013). Ecological impact assessment of iron oxide nanoparticles used for bioremediation of hydrocarbon contaminated aquifers. Jahrestagung VAAM, 10.-13. März 2013 , Bremen, Deutschland. [POSTER]
  • Fritzsche A., Ritschel T., Steffens M., Handel M., Schroder C., Wieczorek A., Totsche K. (2013). Temporal variability of DOM from soils and its effect on ferrihydrite aggregation. Iron Biogeochemistry - From Molecular Processes to Global Cycles, 03.-08.03.2013, Ascona, Schweiz. [Vortrag]
  • Eisenmann H. et al. (2013). Altlastensanierung mit nanopartikulärem Rost - Perspektiven für den Pilotversuch. 3. Clustertreffen NanoNature/NanoCare, 14./15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Frank-Fahle B., Pilloni G. und Lüders T. (2013). Wirkung von Eisenoxid-Nanoaggregaten auf mikrobielle Gemeinschaften und Voruntersuchungen am Sanierungsstandort. 3. Clustertreffen NanoNature/NanoCare, 14./15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Höss S., Meyer C., Fritzsche A., Lüders T., Bleik B., Traunspurger W. (2013). Wirkung von Eisenoxid-Partikeln auf Nematoden und Mikroorganismen - Vergleich von Nano-und Makroaggregaten, sowie natürlichen Kolloiden. 3. Clustertreffen NanoNature/NanoCare, 14./15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Fritzsche A., Schroder C., Wieczorek A., Handel M., Totsche K. (2013). Do properties of natural ferrihydrite colloids change with aggregate size? Joint workshop of DBG and GdCh on reactivity and mobility of pedogenic and artificial colloids in soils. Freiburg/Br., Deutschland. [Vortrag]

2012

  • Pilloni G., Meyer C., Meyer A., Bosch J., Höss S., Eisenmann H., Meckenstock R. and Lueders T. (2012). Enhanced natural attenuation of contaminated aquifers with iron oxide nanoparticles. 14. Jahrestagung der ISME, 19.-24. August 2012; Kopenhagen, Dänemark. [POSTER]
  • Fritzsche A., Schroder C., Rennert T., Wieczorek A., Handel M., Totsche K. (2012) Occurrence of nano-sized, dispersed ferrihydrite aggregates in soil effluents. IAP2012 - Interfaces Against Pollution, 11.-14.06.2012, Nancy, Frankreich. [Vortrag]
  • Meyer C., Bosch J., Braunschweig J., Meyer A., Meckenstock R.U. (2012). Development of an in situ remediation technology for BTEX-contaminated groundwater by the use of iron oxide nanoparticles. VAAM 2012, 18.- 21. März 2012, Tübingen, Deutschland. [POSTER]
  • Eisenmann H. et al. (2012). Altlastensanierung mit nanopartikulärem Rost - wieviel Prozessverständnis braucht man für die Anwendung. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13.-14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Fritzsche A., Totsche K.U. (2012). Ferrihydritnanopartikel in natürlichen, bodenbürtigen Lösungen. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13./14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Höss S., Meyer C., Fritzsche A. (2012). Wirkung von Eisenoxid-Nanopartikeln auf Nematoden – Mechanistische Aspekte. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13./14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Meyer C., Bosch J., Meckenstock R.U. (2012). Development of an in situ remediation technology for BTEX-contaminated groundwater by the use of iron oxide nanoparticles. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13./14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Pilloni G., Lueders T. (2012). Effect of iron oxide nanoparitcles on groundwater microbial communities. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13./14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Meyer A.H., Eisenmann H. (2012). Isotopenmonitoring zur Überwachung und Optimierung des durch Ferrihydrit-Nanopartikel stimulierten biologischen BTEX-Abbaus. 2. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 13./14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]

2011

  • Eisenmann H., Bosch J., Meyer C., Meckenstock R., Fritzsche A., Totsche K., Höss S., Lüders T., Pilloni G., Meyer A.H. , Held T. (2011). Nanosan - Altlastensanierung mit nanopartikulärem Rost. WING.DE 2011 - Werkstoffe gestalten Zukunft, 04.-06. Oktober 2011, Berlin, Deutschland. [POSTER]
  • Höss S., & Meyer C. (2011). Wirkung von Eisenoxid-Nanopartikeln auf Nematoden (p. 45). 16. Jahrestagung der SETAC-GLB: "Ökotoxikologie und Umweltchemie – Grenzen Überwinden", 18.-20.09.2011, Landau, Deutschland. [Vortrag]

  • Fritzsche A., Rennert T., Totsche K. (2011). Arsenic strongly associates with ferrihydrite colloids formed in a soil effluent. Arsen-Workshop 2011 - Verhalten von Arsen in geologischen, hydrologischen und biologischen Systemen, 12.-13.09.2011, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, Leipzig, Deutschland. [Vortrag]

  • Fritzsche A. und Totsche K.U. (2011). Bildung von dispergierten Ferrihydritkolloiden im Bodensickerwasser. Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 7. September 2011, Berlin, Deutschland. [VORTRAG]
  • Fritzsche A., Wieczorek A.K., Rennert T., Händel M., Totsche K.U. (2011). Composition, structure and shape of in situ precipitated Fe oxide nanoparticles from a soil effluent. Goldschmidt-Konferenz, 17. August 2011, Prag, Tschechien. [VORTRAG]
  • Eisenmann H. et al. (2011). Altlastensanierung mit nanopartikulärem Rost - Grundkonzept und erste Testergebnisse. 1. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 10./11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [VORTRAG]
  • Fritzsche A., Makowski R., Totsche K. (2011). Aggregation zur Lenkung der Mobilitat von Eisenoxidnanopartikeln in einem Aquifer. 1. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 10./11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Meyer A.H., Eisenmann H. (2011). Methodenentwicklung in der 2H- und 18O-Isotopenanalytik zum Nachweis des stimulierten BTEX-Abbaus durch Eisenoxid-Nanopartikel. 1. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 10./11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Fritzsche A. und Totsche K.U. (2011). Gewinnung von natürlichen Fe-Oxidkolloiden. 1. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 10./11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]
  • Held T. et al. (2011). Pilotversuch Nanotechnologisches Sanierungsverfahren. 1. Clustertreffen NanoCare/NanoNature, 10./11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [POSTER]

2010

  • Bosch J. et al. (2010). Nanotechnologisches Sanierungsverfahren: In situ Anwendung von Eisenoxid-Nanopartikeln zur Elimination von Schadstoffen in kontaminierten Grundwasserleitern. Tagung nano meets water 2010, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen, Deutschland. [VORTRAG]
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