Bindungsformen und Mobilität von Arsen in Moorböden

Titelangaben

Huhle, Beate:
Bindungsformen und Mobilität von Arsen in Moorböden.
Bayreuth , 2014 . - X, 148 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Arsen ist ein toxisches Element, welches ubiquitär in der Umwelt vorkommt. Moorböden bilden Senken für As, obwohl sie zumeist anoxische Bedingungen aufweisen, unter denen As eher mobil sein sollte als unter oxischen Bedingungen. Arsen besitzt eine Affinität zu oxidischen Oberflächen, aber die Bedeutung der organischen Substanz für die Bindung von As ist nicht genauer untersucht. In dieser Arbeit wurden folgende Ziele verfolgt: 1) Erfassung der As-Fraktionen an der Festphase unterschiedlich As-belasteter Moorböden durch sequentielle nasschemische Extraktion sowie ergänzende Untersuchungen zu den As-Bindungsformen mittels Fourier-Transform-Infrarot- Spektroskopie. 2) Quantifizierung von Ad/Desorption und der Hysterese der Sorption von As(III) unter anoxischen Bedingungen sowie von As(V) unter oxischen Bedingungen in unterschiedlichen Moorböden. 3) Bestimmung der netto As-Methylierung in Moorböden mit unterschiedlichen As- Gehalten. Es wurden verschiedene Torfproben aus zwei Niedermooren (Schlöppnerbrunnen und Greifenbachstauweiher) und zwei Hochmooren (Schlöppnerbrunnen und Store Mosse) bezüglich ihrer Sorptionseigenschaften und Bindungsformen von As untersucht. Die Niedermoorproben enthielten mit 9-1985 mg As/kg deutlich höhere As-Konzentrationen als die Hochmoorproben mit 6-9 mg As/kg. Auch bezüglich der Fe- und Al- Konzentrationen sowie der pH-Werte unterschieden sich die Proben der verschiedenen Moortypen deutlich. Die Torfproben wurden mittels einer sequentiellen Extraktion in 7 Schritten analysiert um As den Hauptbindungspartnern der Festphase zuzuordnen. Die Sorption von As wurde für As(III) unter anoxischen und für As(V) unter oxischen Bedingungen untersucht, wobei zur Aufrechterhaltung der pH-Werte eine Hintergrundkonzentration von 4 mM KCl Verwendung fand. Zur Bestimmung der Bindung von As an die organische Substanz wurden außerdem FTIRSpektren in einem Bereich von 4000-400 cm-1 aufgenommen. Darüber hinaus wurden Torfproben nach Zugabe von As bezüglich der Methylierung von As untersucht, wobei die Bildung löslicher Spezies innerhalb einer Woche und die Bildung volatiler Spezies innerhalb eines Zeitraumes von einem Tag bis drei Wochen ermittelt wurden. IV Während der sequentiellen Extraktion konnten zwischen 59% und 99% des vorhandenen As aus den Proben gelöst werden, wobei der größte Anteil des gelösten As (39-85% vom Gesamt-As) zunächst in der As-Fraktion gebunden an reduzierbare Fe- und Mn-Oxiden wieder gefunden wurde. Das impliziert, dass der größte Anteil des As in den Moorböden an Metalloxide und -hydroxyde gebunden wird. In der Extrakten dieser Fraktion wurden allerdings große Mengen an organischem C detektiert. Daher muss angenommen werden, dass in dieser Fraktion As auch aus organischer Bindung gelöst wurde. Der geschätzte Anteil des an die organische Substanz gebundenen As belief sich auf 6-46%. Höhere As-Anteile in der organischen Fraktion fanden sich vor allem in den Hochmoorproben. Außerdem traten bis zu 41% des Gesamt-As der Niedermoortorfe in der löslichen, unspezifisch sorbierten und spezifisch sorbierten As-Fraktion auf, in den Hochmoorproben nur bis zu 10%. Dafür befand sich in diesen Proben, im Vergleich zu den Niedermoorproben, ein größerer Anteil des As in der restorganischen und Sulfid-gebundenen As-Fraktion. Bei den Sorptionsversuchen zeigten die Proben mit den höheren Mineralgehalten die größeren Sorptionspotentiale. Allerdings wurde von der Probe aus dem Greifenbachstauweiher, welche mit 60 mg/kg das meiste As(V) sorbierte, unter oxischen Bedingungen das gesamte As(V) wieder desorbiert. Unter anoxischen Bedingungen verblieben aber auch nach sechs Desorptionsschritten mit 76 mg/kg 45% des zugegebenen As(III) in dieser Probe. Für die Hochmoorproben verliefen die Sorptionskurven für As(III) unter anoxischen und As(V) unter oxischen Bedingungen fast identisch. Dabei wurden 19-25 mg/kg As in der Probe aus dem Moor Store Mosse und 43 mg/kg in der Probe aus dem Schlöppnerbrunnen sorbiert, wovon 4- 14% nach der Desorption in den Proben verblieben. Methylierte Spezies wurden nur in geringen Konzentrationen gemessen, die höchste Netto- Produktionsrate gelöster methylierter Spezies betrug 14,3 μg kg-1 d-1. Die maximale Produktion volatiler As-Spezies entsprach 0,15 μg kg-1 d-1. Die Methylierung von As hat also eine geringe Bedeutung für die Mobilität von As in Torfböden. As wurde sowohl unter oxischen als auch anoxischen Bedingungen in den Moorproben sorbiert. Insbesondere die Niedermoorproben zeigten im Vergleich zu Mineralböden hohes Sorptionspotential für As(III). Das bestätigt, dass Moorböden in der Natur als Senken für As dienen können. Das Potential für die As-Sorption und auch für die Freisetzung von As wird dabei von den Eigenschaften der Torfe festgelegt, wobei ein hoher Anteil an Fe- und Al- Mineralen zu einer besseren Sorption beiträgt.

Abstract in weiterer Sprache

Arsenic is a toxic element, which appears ubiquitously in the environment. Fens are often sinks for As, although these soils mostly show anoxic conditions in which As should be more mobile than under oxic conditions. Arsenic has an affinity for oxidic surfaces, but the importance of the organic matter for As binding has not yet been investigated in detail. This study had the following aims: 1) Determination of As fractions of the solid phase in peat soils with different As contents by wet chemical sequential extraction and investigations of As binding forms using Fourier transform infrared spectroscopy. 2) Quantification of ad/desorption and hysteresis of As(III) sorption under anoxic conditions and As(V) sorption under oxic conditions in different peat soils. 3) Determination of net As methylation in peat soils with different As contents. Peat samples of two different fens (Schlöppnerbrunnen and Greifenbachstauweiher) and two bogs (Schlöppnerbrunnen and Store Mosse) were investigated with regard to their sorption properties and binding forms of As. Containing 9-1985 mg As/kg, the fen samples had higher As concentrations than the bog samples with 6-9 mg As/kg. Likewise the Fe and Al contents as well as the pH values of the distinct types of peat differed significantly. The peat samples were examined by a 7 step sequential extraction to allocate the main As binding partners of the various phases of peat. The sorption of As was investigated for As(III) under anoxic conditions and for As(V) under oxic conditions, maintaining the pH values by using a background concentration of 4 mM KCl. For the determination of the As binding on the organic substance FTIR spectra in a range of 4000-400 cm-1 were recorded. Additionally, peat samples from the Schlöppnerbrunnen fen were investigated with regard to As methylation after addition of As. The formation of soluble species within one week was studied as well as the formation of volatile As species within a period of 1 day to 3 weeks. During sequential extraction between 59 and 99 per cent of the total As could be released from the samples. The largest portion of As extracted (39-85 per cent of total arsenic) was found in the fraction of reducible Fe and Mn oxides. That implies that most of the As was bound to metal oxides and hydroxides. However, in the extraction solution of this fraction large amounts of organic C were found. Hence As in this fraction was also extracted from organic matter. The estimated amount of As bound to organic matter added up to 6-46 per cent of total As. Higher proportions of organically bound As were mainly found in the peat bog samples. Furthermore, up to 41 per cent of the total As in the fens was found in the soluble, nonspecific sorbed and specific sorbed As fractions, but only up to 10 per cent in the bog samples. These samples contained higher amounts of arsenic in the residual organic and sulfidic bound As fraction. Samples with higher mineral contents had larger sorption potentials. However, from the peat sample of the Greifenbachstauweiher, which adsorbed with 60 mg/kg the highest amounts of As(V), all the absorbed As(V) was desorbed under oxic conditions. Under anoxic conditions 76 mg/kg which present 45 per cent of the added As(III) remained, even after 6 desorptions steps. For the peat bogs the sorption curves were almost identical for As(III) under anoxic and As(V) under oxic conditions. Thereby 19-25 mg/kg As were sorbed in the bog Store Mosse and 43 mg/kg in the bog from Schlöppnerbrunnen, of which 4-14 per cent remained in the samples after desorption. Methylated species were found only in low concentrations, the highest net production rate of dissolved methylated species was 14.3 μg kg-1 d-1. The maximal production of volatile As species corresponded to 0.15 μg kg-1 d-1. The methylation of As seems of little importance for the mobility of As in peat soils. As was sorbed in the peat samples as well under oxic as under anoxic conditions. Particularly the fen samples showed high sorption potentials for As(III) in comparison with mineral soils. This proves that peat soils can serve as sinks for As in nature. The potential for As sorption as well as for the release of As is determined by the peat properties. A high content of Fe and Al minerals contributes to a better As sorption.