Bindungsformen und Mobilität von Arsen in Moorböden
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.
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