Graduiertenkolleg „Spurenanalytik von Elementspezies"

Investigation of the source, behavior, toxicity, mobility and speciation of arsenic in soil, doctoral thesis of Lui Ka Hei

Betreuer: Prof. Dr. Michael Kersten

Heavy metals contamination to the terrestrial environment long exists due to the natural weathering of the parent rocks in which causing metal precipitation in the system. The widely observed increase trace element concentrations in agricultural soil due to various human activities such as liming would lead to potential harmful effects on mankind. Natural reduction in lime status for most soils would increase soil acidity and reduce soil fertility. Toxic metals and metalloids such as arsenic have the abilities to scavenge with Fe and Mn oxides present in low grade limestone and leach out from the soils under severe environmental condition. Adsorption of arsenic into the soil system depends greatly on the physicochemical behaviour in which arsenic enters the soil. Sequential extraction method was used to partition different arsenic species in associated with various metal-bearing phases. As, Fe and Mn contents in five extraction steps were determined by HG-AAS and XRF techniques. Solution matrix effect was observed throughout the HG-AAS analysis and minimized with addition of 1% cysteine as masking agent. All soil sub-samples demonstrated much higher As content than the above global average content of arsenic being found in limestone, pellet limestone for soil pH amendment and MAP/DAP phosphate fertilizers with majority of As showed strong binding with crystalline Fe phases. Direct X-ray spectroscopic analysis was deemed necessary because of possible repartitioning of As between dissolved Mn and residual Fe oxides in the first three extractions steps. 

Ortsaufgelöste Speziation von Schwermetallen in geogenen Proben mit Röntgenabsorptionsspektrometrie (µ-XAFS), Doktorarbeit von Gerald Schmidt

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Michael Kersten

Die Röntgenabsorptionsspektrometrie (X-ray Absorption Fine Structure Spectrometry, XAFS) ist eine zerstörungsfreie Analysenmethode, die es ermöglicht, Wertigkeiten und chemische Bindungsformen einzelner Elemente direkt in fester Matrix zu bestimmen. Durch die zunehmende Verfügbarkeit von Synchrotronstrahlung und Fortschritte bei der Entwicklung von Auswerteverfahren ist XAFS zu einer interessanten Methode in den Geowissenschaften geworden. Geogenes Material wurde bisher überwiegend in Form homogenisierter Pulverproben analysiert, obwohl es häufig sehr heterogen im Bereich weniger µm zusammengesetzt ist. Für eine Bestimmung der Speziation von umweltrelevanten Elementen (Schwermetalle) ist daher auch eine räumliche Auflösung wünschenswert.

Dies kann durch eine Fokussierung der Röntgenstrahlung erreicht werden (µ-XAFS). Die Kombination mit anderen ortsauflösenden Synchrotron-Methoden (z.B. µ-XRF, µ-XRD) führt zu detaillierten Erkenntnissen über die Heterogenität der Bindungsformen im µm-Bereich.In dieser Arbeit soll µ-XAFS auch als Imaging-Methode etabliert werden. Linescans sind zwar durch eine Aneinanderreihung einzelner Messpunkte bereits möglich. Aufgrund der langen Messzeit wird ein Flächenscan jedoch unpraktikabel. Alternativ wird eine gleichzeitige Erfassung aller Messpunkte durch ortsauflösende Detektoren angestrebt. Am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor wurde ein entsprechender experimenteller Aufbau entwickelt. Hierbei wird die Röntgenstrahlung nicht fokussiert, sondern hinter der Probe durch eine Kapillaroptik auf einen CCD-Sensor kollimiert. Dieses Verfahren soll weiterentwickelt und an den neu einzurichtenden Umweltmessplatz der Synchrotronanlage des Forschungszentrums Karlsruhe (SUL-ANKA) angepasst werden. Zur Auswertung und Darstellung der daraus resultierenden multispektralen Information müssen zudem entsprechende statistische Methoden ausgearbeitet werden.

Transfermechanismen bioalkylierbarer Schwermetalle von der Boden- in die Biomatrix, Doktorarbeit von Mirko Peitzsch

Betreuer: Prof. Dr. Michael Kersten

Im Rahmen der Arbeit werden isotopengeochemische Untersuchungen zu Speziestransfermechanismen alkylierbarer Schwermetalle (Hg, Se) in Mikrokosmossystemen durchgeführt. Dabei werden zunächst künstlich gemischte, einfache Bodensubstrate sowie später natürliche Böden eingesetzt. Zur Beobachtung des Speziestransfers werden die wesentlichen Bodenmineralsorbenten (Eisenoxide, Tonminerale, Huminstoffe) mit stabilen Isotopen der Schwermetalle in zunächst anorganischer Form dotiert. Diese Substrate werden in die zu untersuchende Bodenmatrix eingemischt und mit Pilzmycelen versetzt. Jeder der in der Bodenmatrix um den spezifischen Mikroorganismenpool konkurrierenden Sorbenten wird einem Isotop zugeordnet, damit dessen spezifischer Beitrag zur Bioalkylierung quantifiziert werden kann. Der Transfer der so entstandenen dotierten Organometallspezies von der Boden- in die Biomatrix wird weiterhin zeitabhängig mit Hilfe der GC-ICP-MS verfolgt. Ziel ist es, in Kooperation mit den anderen an dem Schwerpunkt beteiligten Doktoranden die biochemisch induzierte Transformation der eingesetzten Spezies herauszuarbeiten.