Vor-Ort-Charakterisierung von aquatischen Huminstoffen und ihren Metallspezies
Creators: name: Van Den Bergh, Johan
Publisher: name: Universität Dortmund
Year: 2001
Subjects: subject: Aquatisches System
subject: EDTA-Austausch
subject: EDTA exchange
subject: humic substances
subject: Huminstoff
subject: Huminstoffe
subject: Metallanalyse
subject: on-site characterization
subject: ultrafiltration
subject: Ultrafiltration
subject: Vor-Ort-Charakterisierung
subject: 540

description: Die Huminstoffe (HS) sind komplexe Mischungen sich ähnelnder refraktärer Makromoleküle, die durch mikrobiellen Abbau abgestorbener Biomasse in Böden und Wässern gebildet werden. HS stellen die wichtigste Senke für organischen Kohlenstoff in der Umwelt dar. Auf Grund ihrer strukturellen Vielfalt bzw. Polyfunktionalität sind HS an zahlreichen umweltrelevanten Prozessen beteiligt, insbesondere an starken Wechselwirkungen mit organischen und anorganischen Schadstoffen. Auch in vielen Gewässern besteht ein großer Teil des gelösten und partikulären organischen Kohlenstoffs ("DOC" und "SOC") aus HS. In Verbindung mit anorganischen Wasserinhaltsstoffen, z.B. Al-, Fe- und Si-Oxidhydraten, können HS komplexe, leicht veränderliche Hydrokolloide bilden, die vermutlich ein hohes Metallbindungsvermögen besitzen. Bisher existieren jedoch nur begrenzt zuverlässige Informationen über organisch geprägte Gewässerkolloide und die von ihnen gebildeten Metallspezies. Die Charakterisierung von HS und ihrem Verhalten in Umweltkompartimenten, z.B. ihre Metallbindungsfomen, hat sich bisher vorwiegend auf isolierte HS, also auf einen operationell wesentlich veränderten "Ausschnitt" des ursprünglichen Hydrokolloids konzentriert. Hierbei ist prinzipiell unsicher, inwieweit die an artifiziellen HS-Metallkomplexen gewonnenen Erkenntnisse überhaupt auf die ursprünglichen Spezies übertragbar sind. Eine aus diesem Grund wünschenswerte in-situ-, zumindest aber Vor-Ort-Analytik an HS und ihren natürlichen Metallspezies in Gewässern war wegen unzureichender Verfahren bisher kaum möglich. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren deshalb Entwicklung, Aufbau und Anwendung einer leistungsfähigen Vor-Ort-Analytik für HS und ihre Metallspezies in huminstoffreichen Gewässern. Mit dieser Zielvorstellung war die Arbeit von 1997 bis 2000 auch eingebunden in das aktuelle DFG-Sonderschwerpunktprogramm ROSIG (Refraktäre organische Säuren in Gewässern) im Bereich der Wasserforschung. Nach der hierbei verfolgten Strategie sollten HS und ihre Metallspezies in ausgesuchten Gewässern mit geeigneten Feldmethoden nach Molekülgröße differenziert, UV/VIS-spektroskopisch charakterisiert und später im Labor mittels Atomspektrometrie, z.B. AAS, ICP-OES oder TRFA, hinsichtlich ihrer Metallgehalte analysiert werden. Zunächst wurde ein einfaches spektralphotometrisches Feldverfahren zur Bestimmung gelöster HS in Gewässern erarbeitet, auf Basis ihres überraschend wenig schwankenden spektralen Absorptionskoeffizienten (SAK) im UV-Bereich, vorzugsweise dem SAK bei 254 nm. Diese Untersuchungen wurden an zwei typischen Braunwasser-Seen (Hohlohsee (HO), Nordschwarzwald; Venner Moor (VM), Münsterland) und an einem HS-reichen Fließgewässer (Arnsberger Wald (AW), NRW) zu verschiedenen Jahreszeiten durchgeführt. Zum Richtigkeitsvergleich wurden konventionelle DOC-Bestimmungen im Labor herangezogen. Hierzu diente ein nachweisstarker thermographischer Kohlenstoff-Analysator. Von besonderer Relevanz war eine zuverlässige Größenklassierung der vorliegenden Gewässerkolloide, wobei deren physikalischer Zustand möglichst nicht durch Elektrolyte bzw. Puffer verändert werden sollte. Hierfür wurde eine mobile MST-UF-Einheit entwickelt, die einfache und gut reproduzierbare on-line Fraktionierungen der zu untersuchenden HS-Kolloide vom subpartikulären (&lt; 0.45 bis 0.1 µm) bis makromolekularen Bereich (&gt; 100 bis &lt; 3 kDa) ermöglichte. Die mit dieser Methodik untersuchten Kolloide wiesen meist Fraktionen von weniger als 10 % DOC-Anteil im subpartikulären Bereich auf, jedoch relativ hohe DOC-Anteile von über 50 % im niedermolekularen Bereich von &lt; 3 kDa auf. Die natürlichen Metallspezies in den so gewonnenen HS-Größenfraktionen, z.B. die von Al, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb und Zn, die im Labor vorzugsweise mittels ICP-OES analysiert wurden, zeigten auffällig unterschiedliche Verteilungsmuster. Sie waren häufig im Größenbereich von 10 bis 100 kDa angereichert (z.B. AW, VM), teilweise jedoch auch im subpartikulären Bereich (z.B. HO), wobei Metallgehalte von 1 bis 100 µg/mg DOC festzustellen waren. Signifikante strukturelle Unterschiede in den HS-Größenfraktionen, die zu diesem Zweck mittels 1H-NMR- und 2D-Fluoreszenz-Spektroskopie untersucht wurden, waren kaum zu beobachten. Lediglich ihr Absorbanzverhältnis A254/A436, zeigte eine gewisse Steigerung mit abnehmender Molekülgröße. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, natürliche Metallspezies in huminstoffreichen Gewässern vor Ort nach ihrer thermodynamischen und kinetischen Stabilität zu differenzieren. Zur Unterscheidung zwischen HS-gebundenen und freien Metallfraktionen diente eine einfach durchführbare Feldtechnik auf Basis der Tangentialfluß-UF. Die so ermittelbaren konditionellen thermodynamischen Stabilitätskonstanten Ki natürlicher HS-Metallspezies lagen meist im Bereich von 103 bis 106 L/mol, je nach Element. Die kinetische Stabilität der vorliegenden HS-Metallspezies wurde operationell durch einen konkurrrierenden Austausch mit starken Liganden, z.B. EDTA, und Metallionen, z.B. Cu(II), vor Ort charakterisiert. Der Verlauf der Austauschreaktionen konnte durch zeitkontrollierte Tangentialfluß-UF mit einer zeitlichen Auflösung von zwei Minuten verfolgt werden. Die vor Ort untersuchten natürlichen Metallspezies, z.B. die von Al, Fe, Mn, Zn und Erdalkalien, tauschten mit EDTA nur relativ langsam aus, wobei die Gleichgewichte häufig erst nach 1000 bis 1500 Minuten erreicht wurden. Ihre Austauschkinetik folgte zwei Geschwindigkeitsschritten erster Ordnung, die z.B. beim Fe mit Halbwertszeiten t1/2 von 0.12 bis 0.39 h-1 bzw. 1.35 bis 46.2 h-1 abliefen. Auch bei EDTA-Überschuß erwiesen sich die untersuchten Metallspezies, z.B. die von Al und Fe, nur als teilweise austauschfähig, im Gegensatz zu artifiziellen, aus isolierten HS und Metallionen in-vitro gebildeten Spezies. Zudem konnte gezeigt werden, daß natürliche HS-Metallspezies, die nach ihrer Voranreicherung mittels UF für längere Zeit gelagert werden, stark an Metall-Verfügbarkeit verlieren. Die Verfügbarkeit von Metallen in natürlichen aquatischen Metallspezies wurde am Gewässer auch durch Austauschversuche mit Cu(II)-Ionen untersucht. Beladungen der vorliegenden HS mit hohen Konzentrationen an Cu(II) (oder auch anderen Metallionen) und nachfolgende Me-HS/Me-Trennung mittels zeitkontrollierter TF-UF ermöglichten zunächst die Ermittlung konditioneller Komplexierungskapazitäten, die für die untersuchten Metallionen zwischen 0.1 für Mn(II) über 1.1 für Cu(II) bis hin zu 4.66 mmol/g DOC für Fe(III) differierten. Damit konnte klar belegt werden, daß mit der sonst üblichen Angabe der Cu(II)-Komplexierungskazität das Metallbindungsvermögen von aquatischen HS nur unzureichend beschrieben ist. Aus den Beladungsgleichgewichten der HS bei niedrigen Metallkonzentrationen konnten außerdem konditionelle Stabilitätskonstanten Ki für die gebildeten Komplexe ermittelt werden. Der Austausch zwischen natürlichen HS-Metallspezies und konkurrierenden Cu(II)-Ionen erreichte innerhalb von zehn Minuten sein Gleichgewicht, also wesentlich schneller als der EDTA-Austausch. Allerdings lag die Al- bzw. Fe-Verfügbarkeit der untersuchten Spezies gegenüber Cu(II) mit 16-69 bzw. 2-27 % meist deutlich niedriger als die EDTA-Verfügbarkeit. Nach dem MWG konnte der Austausch zwischen den natürlichen HS-Spezies und zugesetzten Cu(II)-Ionen mit Hilfe von Austauschkonstanten Ka anschaulich beschrieben werden. Die so in verschiedenen Wasserproben ermittelten Ka-Werte lagen häufig im Bereich zwischen 0.01 für z.B. Al und Fe und 90 für z.B. Ca. Demnach lag die thermodynamische Stabilität der austauschfähigen natürlichen Al- bzw. Fe-Spezies etwa um den Faktor 100 höher, die der natürlichen Ca-Spezies etwa um den Faktor 100 niedriger als die des gebildeten HS-Cu(II)-Komplexes. Allerdings ergaben sich teilweise signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Wasserproben. Ein vergleichender Cu(II)-Austausch an natürlichen, durch UF vorangereicherten und artifiziellen Metallspezies desselben aquatischen HS (HO17) belegte außerdem erhebliche Unterschiede sowohl zwischen Metallaustausch durch Cu(II) (Ca, Mg und Sr ausgenommen), als auch in den betreffenden Austauschkonstanten Ka. Vor-Ort-Beladungen naturbelassener HS mit Mischungen verschiedener Metallionen wie Al(III), Cd(II), Cu(II), Fe(III), Mn(II), Ni(II), Pb(II), Zn(II) zeigten auf, daß diese nur wenig kompetitiv wirken, vorausgesetzt die Gesamtbeladung des HS bleibt weit unterhalb seiner Komplexierungskapazität. Die Erfassung möglicher Metallspezies-Transformationen in HS-reichen Wasserproben während ihrer Lagerung (0.45 µm-filtriert, 15 °C, Dunkelheit) war ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit. Hierzu wurden die vor Ort gewonnenen Analysendaten dieser Proben auf etwaige Veränderungen während ihrer Lagerung untersucht. Praktisch keine Veränderungen ergaben sich bei den reinen Größenverteilungen der untersuchten Hydrokolloide, die sich auch nach vier Wochen Lagerung als unerwartet stabil erwiesen. Dies galt auch für die Gesamt-DOC-, weniger aber für die Fe- und Zn-Gehalte. Erhebliche Einbußen waren schon nach einer Woche bei der konditionellen KKCu(II) zu verzeichnen, trotz stabil gebliebener DOC-Werte. Signifikanten Veränderungen waren auch die natürlichen Metallspezies in den gelagerten Wasserproben hinsichtlich EDTA- und Cu(II)-Austausch unterworfen. Die Austauschfähigkeit nahm in der Regel deutlich ab, in Einzelfällen (HO16) aber auch deutlich zu. Bei den Cu(II)-Austauschkonstanten Ka der untersuchten Metallspezies waren ähnlich auffallende Veränderungen zu beobachten, aus denen, je nach Probe und betrachtetem Metall, eine formale Minderung aber auch eine Steigerung der Speziesstabilität relativ zum Cu(II) abzuleiten war. Strukturelle Transformationen der gelagerten HS waren jedoch weder mittels 1H-NMR noch 2D-Fluoreszenz nachweisbar. Die hier festgestellten Veränderungen in gelagerten Wasserproben untermauern also im nachhinein die Notwendigkeit, aquatische HS und ihre Metallspezies möglichst schon direkt am Gewässer zu charakterisieren, um unerwünschte Artefakte und damit verbundene Interpretationsfehler zu vermeiden.