ICP-Massenspektrometer mit HPLC
Final Report Abstract
In einer Dissertation (Hahn) wurden die Auswirkungen von Wasserstands- und Durchfeuchtungsänderungen auf die gelösten Fraktionen von Schwermetallen und Arsen in Substraten und Interstitialwässern von Auenböden und Talsperrensedimenten untersucht. Die Nachforschungen fanden an drei Talsperren im Bereich der unteren Lahn jeweils während und nach der sanierungsbedingten Absenkung bzw. Entleerung des Wasserspiegels statt. Die Messung der Schwermetall- und Arsengehalte erfolgte vollständig am ICP-MS. Es ermöglichte die hochauflösende und stofflich breit angelegte Untersuchung verschiedener für die Fragestellung relevanter Elemente, bei vergleichsweise geringem logistischem Aufwand. Der Doktorand konnte nachweisen, dass die untersuchten Böden stark erhöhte, die Prüfwerte übersteigende Schwermetallund Arsengehalte aufwiesen. Viele der untersuchten Stoffe verzeichneten dabei im Sommer Höchstkonzentrationen. Während der Untersuchungen konnten Austräge von gelösten Schwermetallen aus Interstitialbereichen, vor allem während der Frühphase der Entleerung, festgestellt werden. Dabei wiesen die Konzentrationen fast aller untersuchten gelösten Schwermetalle leichte, teilweise aber auch erhebliche Zunahmen auf. Während der Drainage zeigten dann besonders Arsen und Eisen starke Gehaltsabnahmen durch beginnende Oxidation. Dagegen verzeichneten Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Zink und Mangan geringere Mengenverluste während ihres Transports und konnten dadurch weiter in Gerinnebereiche flussabwärts beider Staukörper verlagert werden. Mit zunehmender Freilegungsdauer und abnehmenden Feuchtegehalten der Sedimente gingen die Stoffausträge in die abfließenden Oberflächenwässer zurück. Durch geschickte Messanordnungen im Gelände und dem ICP-MS-Laboreinsatz war es möglich, Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Löslichkeiten von insbesondere Schwermetallen in Abhängigkeit von deren Gesamtgehalten zu bestimmen und Schlussfolgerungen über medienübergreifende Verlagerungen (Sedimente-Böden-Porenwässer-Grundwässer-Oberflächenwässer) abzuleiten. Im DFG-Projekt ME 4155/1-1 konnte erstmals in Mitteleuropa Tierdung einer eisenzeitlichen Fundstelle zum Futter von Nutztieren und zur frühen Grünlandwirtschaft untersucht werden. Am ICP-MS wurde dabei von mehreren Dungproben der Phosphatgehalt bestimmt, um den Nährstoffbestand und dessen Abbau bzw. chemischer Veränderung bis heute zu ermitteln. Die Daten befinden sich noch in der Auswertung. Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit (Müggenburg) wurden kriegsbeeinflusste Böden im Hürtgenwald (nahe Düren) untersucht. Eva Müggenberg hat dabei Konzentrationen ausgewählter Schwermetalle in Bodenproben bestimmt, um eine mögliche, v.a. durch Granatsplitter bedingte geochemische Signatur nachzuweisen. Dabei war das ICP-MS von zentraler Bedeutung, weil es die simultane Messung mehrerer Metalle/Elemente ermöglichte und so bei relativ geringem Arbeitsaufwand eine Vielzahl an Ergebnissen erbrachte. Trotz kriegsbedingten Artefakten (Munitionsreste etc.) auf und in den Böden des Hürtgenwaldes waren keine Hinweise auf erhöhte Metallbelastungen evident. Stichprobenartig untersuchte Granatsplitterreste aus dem Untersuchungsgebiet zeigten für die Metalle As, Pb, Cr, Cu, Ni und Zn lediglich Gehalte im 2 – 3-stelligen mg/kg-Bereich. Im Gegensatz zu anderen Gebieten mit langjährigen kriegsbedingten Stoffeinträgen (z. B. um Ypern) zeichnen sich die Böden im Hürtgenwald heute nicht durch signifikant erhöhte, oder gar bedenkliche Schwermetallgehalte aus. In einem weiteren Bachelor-Projekt (Dix) wurden Schadstoffimmissionen (v.a. als Folge der nahe gelegenen Schwerindustrie) in Ah-Horizonten eines kriegsbeeinflussten Waldgebiets in Duisburg-Baerl untersucht. Die im Bereich von Bombentrichtern einsetzenden Bodenbildungen (z.B. initiale Ah-Horizonte) erlaubten eine zeitliche Zuordnung der gemessenen Schwermetallkonzentrationen aus dem 2. Weltkrieg und den Vergleich mit Schwermetallkonzentrationen in ungestörten Böden der Vorkriegszeit. Auch bei diesem Projekt kam dem ICP-MS bei der zeitsparenden, simultanen Messung verschiedener Schwermetallgehalte eine zentrale Rolle zu. Johannes Dix konnte abschließend nachweisen, dass in seinem Untersuchungsgebiet alle Schwermetall-Vorsorgewerte überstiegen wurden. Die Schwerindustrie bei Duisburg-Baerl übte während des 2. Weltkriegs also einen nachhaltigen und schädigenden stofflichen Einfluss auf die Böden aus. Zeitlich hochaufgelöste experimentelle Untersuchungen zum Stoffhaushalt eines urban geprägten Einzugsgebietes mit dem ICP-MS zeigen, dass der Austrag von gelösten Schwermetallen nicht generell an die Niederschlags-Abflussdynamik gekoppelt ist. So weist das Element Nickel einen deutlichen Zusammenhang mit der Abflussganglinie eines urbanen Gewässers auf, bei den Elementen Chrom, Zink und Cadmium ist dieses Verhalten nicht zu erkennen. Die Erforschung der genauen Ursachen hierfür sind Gegenstand weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Keusgen aus dem FB Pharmazie wurde ausländischen Forschern die Möglichkeit eröffnet, in mehrwöchigen Praktika Untersuchungen zur elementaren Zusammensetzung von Inhaltsstoffen aus Pflanzenmaterial durchzuführen, wie zum Beispiel der Selengehalt in Zwiebelpflanzen. Zu Gast waren unter anderem: Dr. Kh.M. Bobakulov, Institut of the Chemistry of Plant Substances, Uzbekistan; Dr. E. Mikheeva und Dr. E. Doroshko, Department of Physical and Analytical Chemistry, Polytechn. Universität Tomsk, Russland.
Publications
- (2013): Relief und Textur als Steuergrößen für die räumliche Verteilung von Phosphor im Boden Berichte der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, Rostock: 13-16
- (2013): Zur zeitlichen und räumlichen Differenzierung von Schwermetallgehalten in Seesedimenten und Fließgewässern während der Entleerung von Talsperren. Berichte der DBG
Hahn, J. & Ch. Opp
- (2014): Gelöste Schwermetallkonzentrationen in Uferbereichen und Gerinne der Lahn während Hochund Niedrigwasser Marburger Geographische Arbeiten 147, pp. 89- 108
Hahn, J., Opp, Ch., Zitzer, N. & Laufenberg, G.
- (2014): High resolution analysis of elements in dust by mass spectrometry in South-West of Iran. Proceedings of the International Symposium on Loess, Soils & Climate Change in Southern Eurasia. GUASNR Gorgan, Iran: 33p
Foroushani, M. A. & Opp, Ch.
- (2014): Schwermetall-Status und Schwermetallmobilität in Auenböden und Stauseesedimenten unter besonderer Berücksichtigung von Durchfeuchtungs- und Wasserstandsänderungen
Hahn, J.
(See online at https://doi.org/10.17192/z2014.0103) - Short Report: Identifying Sources of Subsurface Flow - A Theoretical Framework Assessing Hydrological Implications of Lithological Discontinuities. Open Journal of Modern Hydrology, 2014, 4, 91- 94
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