Influence of natural organic matter on the mobility of arsenic in aquatic systems, soils and sediments

Titelangaben

Bauer, Markus Florian:
Influence of natural organic matter on the mobility of arsenic in aquatic systems, soils and sediments.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The element As is today recognized as one of the most dangerous inorganic contaminants and threats for the world’s water resources. Arsenic is ubiquitious in the earth crust and humans are especially affected through As polluted drinking water supplies. The occurrence of high As groundwater concentrations is often caused by geogenic processes of As release from the solid phase and accumulation in the water phase. Many contaminated aquifers are also characterized by high concentrations of natural organic matter (NOM). Previous studies showed that NOM presence may affect As mobility, but we are lacking evidence about the reactions pathways and about the importance As-DOM interactions in the environment. We therefore focussed on studying reactions between NOM and As, including redox reactions, complexation, colloid formation and sorption competition in laboratory experiments. Moreover we also studied As behaviour in columns experiments and wetland soils rich in organic matter. Arsenic mobility strongly depends on its redox state. Dissolved organic matter was previously found to be redox active but its redox properties are only poorly understood. In laboratory experiments we therefore elucidated the electron transfer characteristics of different DOM samples. The results showed the high potential of humic substances to chemically reduce different Fe(III) complexes and oxidize H2S and metallic Zn. Reactions occurred over short periods of time with reaction rates in the range from 0.03 to 27 h-1. Under otherwise identical conditions rising DOC concentrations caused higher total electron transfer. This supports the assumption that functional groups of DOM, such as quinones, were indeed the redox active moieties involved in the redox reactions. The calculated electron transfer capacities (ETC) ranged from 0.07 to 6.2 mequiv (g C)-1. The wide range of observed reaction rates and ETC values could be related to the different redox potential of the inorganic reactants used. This suggests that DOM molecules contain redox active moieties with different redox potential and that they possibly represent a redox ladder with the capacity to buffer electrons over a wide range of redox conditions. Humic substances also influenced the As redox speciation as dissolved H3AsO4 was - either chemically or microbially- reduced to H3AsO3 in DOM solution. No oxidation of As(III) to As(V) was found in these experiments. The presence of organic matter thus changes the redox speciation of As as well as that of other environmentally relevant elements like Fe or S. This possibly also contributes to a higher mobility of As due to the presence of reduced As and Fe species. The formation of complexes on mineral surfaces is one of the most important immobilization processes for As in soils or sediments. DOM strongly interfered with this As sequestration mechanism due to aqueous and surface complexation reactions. Humic substances were found to prevent the precipitation and sedimentation of iron oxide minerals and promote the formation of DOM and Fe containing colloids at aqueous molar Fe/C ratios of up to 0.1. This impeded the co-precipitation and sedimentation of As with Fe mineral structures and increased the amount of mobile As. Arsenic and Fe content were correlated in the different particle size classes was, suggesting As binding to Fe e.g. in cation bridging complexes or DOM stabilized Fe oxide colloids. DOM sorption on synthetic goethite and natural soil and sediment samples also caused a release of As from these solid phases due to sorption competition for mineral binding sites. Especially the weakly adsorbed fraction of As in the natural samples was affected by this process. Both the formation of aqueous complexes or colloids and the sorption competition in the presence of DOM lead to higher As concentration in the water phase and demonstrate the potential of humic substances to increase As mobility. In the studied laboratory columns As redox transformation and complexation by DOM could not be identified. Instead As mobilization was dominated by microbial processes in these experiments. At DOM input concentrations between 5 and 100 mg L-1 the release of As occurred mainly due to the reductive dissolution of the Fe oxide sorbent phase during microbial respiration. The occurrence of sulfate reduction and the precipitation of sulfide minerals at the highest DOM concentrations did not represent a substantial immobilization mechanism. The studied wetland soils represent natural sinks for geogenic As. Fe oxides were the main As sorbents, which is surprising as both soils were temporarily water saturated and likely under reducing conditions. Moreover, the high porewater DOC concentrations and the high organic carbon content in the solid phase apparently did not interfere with As sorption on the iron phases in these soils. Chemical extractions also showed that smaller As fractions were associated with solid phase organic matter pool and with a not identified residual pool, likely sulfide minerals. However, as most As was bound to Fe oxides its fate was strongly affected by changing redox conditions. Fast As immobilization sorption occurred under dry conditions when Fe was oxidized and precipitated, while short-term mobilization of As and Fe in their reduced form was observed upon rewetting. These soils therefore are As sinks as long as oxic conditions are maintained but may turn into As sources when reducing conditions prevail for longer periods of time. Organic molecules influence the redox state and the complexation of As and are able to shift As partitioning in favour of the solute phase. Our results showed that especially the association of As with aqueous complexes and colloids has a strong potential to reduce As retention and increase As mobility. This has to be considered in future studies of As behaviour in aquifers, surface waters, soils or sediments rich in organic substances. Peatland soils were found to represent sinks for geogenic As, showing that the presence of organic matter not necessarily prevents As immobilization. It also depends on the biogeochemical conditions whether an organic matter rich system will accumulate or release As.

Abstract in weiterer Sprache

Der toxische, anorganische Schadstoff Arsen wird heute als eine der größten Bedrohungen für die Trinkwasserresourcen der Erde angesehen. Arsen ist in der Erdkruste weit verbreitet und hohe As-Belastungen im Grundwasser sind häufig geogenen Ursprungs. Natürliche Prozesse verursachen die As-Freisetzung aus der Festphase und seine Anreicherung in der Wasserphase. Häufig zeichnen sich As-belastete Aquifere auch durch hohe Gehalte an natürlichem, organischem Material (NOM) aus und es gibt Anhaltspunkte, dass organische Substanzen die Mobilität und Festlegung von As beeinflussen. Reaktion zwischen As und NOM sind nur teilweise untersucht und über ihren Einfluss auf die Mobilität von As in der Umwelt ist wenig bekannt. Für diese Arbeit wurden deshalb einerseits chemische Wechselwirkungen zwischen As und organischem Material, wie Redoxtransformationen, die Bildung von aquatischen Komplexen und Kolloiden sowie die Konkurrenz um Adsorptionsplätze auf Mineralfestphasen, in Laborversuchen untersucht. Andererseits wurde auch das Verhalten von As in natürlichen Moor- und Gleyböden untersucht, die hohe Gehalte an organischem Material aufweisen. Die Mobilität von As wird stark durch Redoxprozesse beeinflusst. Es ist bekannt, dass gelöstes organisches Material (DOM) über redox-aktive Gruppen verfügt. Da die Redoxeigenschaften organischer Substanzen aber nur unzureichend beschrieben wurden im Rahmen dieser Arbeit der Elektronenaustausch mit verschiedenen anorganischen Reaktanden untersucht. Alle verwendeten Huminstofflösungen waren in der Lage in aquatischen Komplexen vorliegendes Fe(III) zu reduzieren sowie gelöstes H2S und metallisches Zink zu oxidieren. Die Redoxreaktionen erfolgten schnell und die Reaktionsraten lagen bei 0.03 bis 27 h-1. Eine Anhebung der DOC-Konzentration führte unter sonst gleichen Bedingungen zu einem Anstieg des Elektronentransfers. Dies zeigt, dass redox-aktive, funktionelle Gruppen des organischen Materials, z.B. Chinone, für den Elektronenaustausch verantwortlich sind. Die aus den Experimenten berechnete Elektronentransferkapazität (ETC) der Huminstoffe lag zwischen 0.07 und 6.2 mequiv (g C)-1. Die große Spannweite der ermittelten bestimmten Reaktionsraten und Elektronentransferkapazitäten konnte auf die unterschiedlichen Redoxpotentiale der verwendeten Reaktanden zurückgeführt werden. Dies weist darauf hin, dass Huminstoffemoleküle redox-aktive Gruppen mit unterschiedlicher Reaktivität besitzen und deshalb Redox-Leitern darstellen, die in der Lage sind über einen weiten Redoxpotentialbereich als Elektronenpuffer wirken. DOM beeinflusste auch die Redox-Speziierung von As. In Huminstofflösung wurde H3AsO4 –entweder chemisch oder mikrobiell- zu H3AsO3 reduziert, eine H3AsO3-Oxidation wurde jedoch nicht beobachtet. DOM induzierte Elektronentransferreaktionen sind somit sowohl in der Lage die Redoxspeziierung von As selbst als auch die Speziierung von in der Natur wichtigen Elementen wir Fe und S zu verändern. Durch Reduktion von As(V) oder Fe(III) ist dabei von einer Erhöhung der As-Mobilität auszugehen. Sorption auf Mineraloberflächen ist einer der wichtigsten Immobilisierungsprozesse für As in Böden und Sedimenten. Dieser Festlegungsmechanismus wird durch die Anwesenheit von DOM gestört. In Laborversuchen verringerten Huminstoffen die Ausfällung und Sedimentation von Fe-Oxidpartikeln und förderten die Bildung von kleinen DOC- und Fe-haltigen Komplexen und Kolloiden bei molaren Fe/C-Verhältnissen von < 0.1. Auch die Entfernung von As aus der Lösung durch Kopräzipitation und Sedimentation mit Fe-Oxiden wurde dadurch vermindert. Die Gehalte von As und Fe in verschiedenen Partikel-Größenfraktionen waren korreliert, was auf die Bindung von As an Fe z.B. in Kationen-Komplexen oder an DOM-stabilisierten Fe-Kolloidoberflächen hinweist. Die Adsorption von organischer Substanz an Mineraloberflächen, wie Goethit oder natürlichen Boden- und Sedimentproben, führte zu Freisetzung von dort gebundenem As durch Konkurrenz um Sorptionsplätze und damit ebenfalls erhöhten As-Konzentrationen in der Lösungsphase. Insbesondere die schwach gebundene As-Fraktion war davon betroffen. Sowohl die As-Bindung in DOM-stabilisierten, mobilen Komplexen oder Kolloiden als auch die Sorptionskonkurrenz zwischen As und organischem Material um Sorptionsplätze auf Mineraloberflächen fördert somit die As-Mobilität und muss bei der Untersuchung von Umweltsystemen berücksichtigt werden. In Säulenversuchen war eine direkte Redoxtransformation oder Komplexierung von As durch DOM nicht nachweisbar. Stattdessen war die As-Mobilisierung in erster Linie auf mikrobielle Prozesse zurückzuführen. Bei DOC-Konzentrationen zwischen 5 und 100 mg C L-1 im Säulenperkolat fand die reduktiven Auflösung der vorhandenen Fe-Oxide statt und daran gebundenes As wurde freigesetzt. Trotz einsetzender Sulfatreduktion wurde die As-Lösungskonzentration nicht nennenswert durch Bindung an die ausfallenden, sulfidischen Mineralphasen verringert. Die untersuchten Böden sind natürliche Senken für geogenes As dar. Eisenoxide waren die wichtigsten As-Sorbenten in diesen Systemen, obwohl die Böden zumindest zeitweise wassergesättigte und vermutlich auch reduzierende Bedingungen aufwiesen. Auch die hohen DOM-Konzentrationen im Porenwasser und der hohe Gehalt an organischem Material in der Festphase wirkten der As-Bindung an die Fe-Oxide nicht entgegen. Chemische Extraktionen zeigten, dass nur kleinere As-Fraktionen mit der organischen Bodensubstanz und einem nicht identifizierten residualen Bodenbstandteilen, vermutlich sulfidische Minerale, assoziiert war. Schwankende Wasserstände und Veränderungen in den Redoxverhältnisse zu einem schnellen Anstieg bzw. Abfall der Fe- und As-Konzentrationen im Porenwasser. Dies weist auf die rasche Auflösung von labilen Fe-Oxiden mit sorbiertem As unter reduzierenden und die rasche Fe-Oxid-Ausfällung und As-Festlegung unter oxidierenden Bedingungen hin. Langfristig stellen vor allem die Oberbodenhorizonten stabile Senken für geogenes As dar. Organische Substanz beeinflusst den Redoxzustand und die Komplexierung von As und ist dadurch in der Lage die As-Verteilung zugunsten der Lösungsphase zu verschieben. Unsere Ergebnisse zeigen dass insbesondere die Bindung von As in aquatischen Komplexen und Kolloiden in der Lage ist die As-Festlegung zu verringern und die As-Mobilität zu erhöhen. In zukünftigen Untersuchungen über das Verhalten von As in Aquiferen, Oberflächengewässern, Böden oder Sedimenten, die reich an organischen Substanzen sind, muss dies berücksichtigt werden. Die untersuchten Moorböden dagegen stellen Senken für geogenes As dar, was zeigt, dass die Präsenz organischer Verbindungen nicht zwangsläufig eine As-Festlegung verhindert. Vielmehr hängt es auch von den geochemischen Randbedingungen ab, ob ein Umweltsystem mit hohen Anteil von natürlichem organischem Material As bindet oder freisetzt.