The search result changed since you submitted your search request. Documents might be displayed in a different sort order.
  • search hit 10 of 1500
Back to Result List

Distribution and mobility of metal(loid)s at the sediment water interface

  • The sediments of surface waters are temporary or final depository of many chemical compounds, including trace metals and metalloids (metal(loid)s) from natural and anthropogenic sources. Whether they act as a source or sink of metal(loid)s depends strongly on the dynamics of the biogeochemical processes that take place at the sediment-water interface (SWI). Important information on biogeochemical processes as well as on the exposure, the fate and the transport of pollutants at the SWI can be obtained by determining chemical concentration profiles in the sediment pore water. A major challenge is to conduct experiments with a spatial resolution, which allows to adequately record existing gradients and to log all the parameters needed, to describe and better understand the complex processes at the SWIs. At the same time, it is from major importance to prevent the formation of any artifacts during sampling, which may occur due to the labile nature of the SWIs and the very steep biogeochemical gradients. In this context, in the first part of this work, a system was developed and tested that enables the automated, minimal invasive sampling of sediment pore water of undisturbed or manipulated sediments while simultaneously recording parameters such as redox potential, oxygen content and pH value. In an incubation experiment the impact of acidification and mechanical disturbance (re-suspension) on the mobility of 13 metal(loid)s was investigated using a triple quadrupole inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-QQQ-MS) multi-element approach. Most metals were released as consequence of sulfide weathering whereas mechanical disturbance had a major impact on the mobility of the oxide forming elements As, Mo, Sb, U and V. Additionally, options were demonstrated to address with the system the size fractionation of metal(loid)s in pore water samples and the speciation of As(III/V) and Sb(III/V). In the second part, the focus, with a similar experimental design, was placed on the processes leading to the release of metal(loid)s. For this purpose, two incubation experiments with different oxygen supply were conducted in parallel. For the first time the nonmetals carbon, phosphorus and sulfur were analyzed simultaneous to 13 metal(loid)s in sediment pore water by ICP-QQQ-MS. Throughout the experiment metal(loid) size fractionation was monitored. It was confirmed that resuspension promotes the mobility of metalloids such as As, Sb and V, while the release of most metals was largely attributed to pyrite weathering. The colloidal (0.45-16 μm) contribution in terms of mobilization was only relevant for a few elements. Finally, the sampling system was used as part of a new approach to sediment risk assessment. Undisturbed sediment cores from differently contaminated positions in the Trave estuary were examined, considering 16 metal(loid)s, the non-metals C, P and S and the ions NH4+, PO43- and SO42-. By the first in-depth comparison with in-situ dialysis-based pore water sampling the ability of the suction-based approach to represent field conditions was proven. The pore water studies together with supplementing resuspension experiments in bio-geochemical microcosms and sequential extraction identified the most “pristine” sediment of the study area as posing the greatest risk of metal(loid) release. However, the potentially released amounts per kg of sediment are only a few parts per thousand of the average daily loads of the Trave river.
  • Viele chemische Verbindungen, einschließlich Spurenelemente aus natürlichen und anthropogenen Quellen, verbleiben temporär oder endgültig in den Sedimenten der Oberflächengewässer. Ob diese als Quelle oder Senke von Metallen und Metalloiden (Metall(oid)e) fungieren, hängt von der Dynamik der biogeochemischen Prozesse ab, die an der Wasser-Sediment-Grenzschicht (sediment water interface - SWI) ablaufen. Wichtige Informationen zu biogeochemischen Prozessen sowie zur Exposition, zum Verbleib und zum Transport von Schadstoffen an der SWI lassen sich durch die Ermittlung von Konzentrationsprofilen im Sedimentporenwasser gewinnen. Dabei besteht die Herausforderung zum einen darin eine räumliche Auflösung zu realisieren, die es erlaubt, bestehende Gradienten adäquat zu erfassen und zu gleich hinreichend viele Parameter aufzunehmen, um die komplexen Prozesse zu verstehen. Zum anderen gilt es die Bildung von Probenahme-Artefakten zu verhindern, die durch die labile Natur der SWI sowie die steilen biogeochemischen Gradienten verursacht werden. Vor diesem Hintergrund wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein System zur automatisierten, minimal-invasiven Untersuchung der SWI entwickelt und erprobt. Das System ermöglicht die Beprobung des Sedimentporenwassers ungestörter oder manipulierter Sedimente bei gleichzeitiger Erfassung von Parametern wie Redoxpotential, Sauerstoffgehalt und pH-Wert. Im Rahmen eines Inkubationsexperimentes wurde der Einfluss von Versauerung und mechanischer Störung (Resuspension) auf die Mobilität von 13 Metall(oid)en untersucht, die mittels Tripel-Quadrupol induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-QQQ-MS) quantifiziert wurden. Während die meisten Metalle in Folge von Sulfid-Verwitterung freigesetzt wurden hatte die mechanische Störung einen großen Einfluss auf die Mobilität der oxidbildenden Elemente As, Mo, Sb, U und V. Zusätzlich wurde gezeigt, dass das Probenahme-System zudem Optionen zur Untersuchung der Größenfraktionierung von Metall(oid)en sowie der Speziierung von As(III/V) und Sb(III/V) bietet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Fokus - mit einem ähnlichen experimentellen Design - auf die Prozesse gelegt, die zur Freisetzung von Metall(oid)en führen. Zu diesem Zweck wurden zwei Inkubationsexperimente mit unterschiedlicher Sauerstoffversorgung parallel durchgeführt. Erstmals wurden mittels ICP-QQQ-MS die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel in einem Analyselauf gemeinsam mit 13 Metall(oid)en in Sedimentporenwasser quantifiziert. Die Größenfraktionierung der Metall(oid)e wurde über den gesamten Verlauf der Experimente überwacht. Es bestätigte sich, dass Sediment-Resuspension die Mobilität von Metalloiden wie As, Sb und V fördert, während die Freisetzung der meisten Metalle weitgehend auf die Verwitterung von Pyrit zurückzuführen war. Der kolloidale Beitrag (0,45 - 16 μm) zur Mobilisierung war nur für wenige Elemente relevant. Schließlich wurde das Probenahmesystem im Rahmen eines neuen Ansatzes zur Sedimentbewertung eingesetzt. Dabei wurden ungestörte Sedimentkerne unterschiedlich kontaminierter Positionen im Trave-Ästuar untersucht und neben 16 Metall(oid)en, die Nichtmetalle C, P und S sowie die Ionen NH4+, PO43- und SO42- berücksichtigt. Durch den ersten umfangreichen Vergleich mit in-situ Dialyse-basierter Porenwasserbeprobung wurde die Eignung des entwickelten Ansatzes zur Erfassung der Feldbedingungen nachgewiesen. Die Porenwasseruntersuchungen zusammen mit ergänzenden Resuspensionsexperimenten in biogeochemischen Mikrokosmen und sequentieller Extraktion ergaben, dass das am geringsten „belastetste“ Sediment des Untersuchungsgebiets das größte Risiko für die Freisetzung von Metall(oid)en darstellt. Jedoch betrugen die potenziell freigesetzten Mengen je kg Sediment nur wenige Promille der durchschnittlichen täglichen Fracht der Trave.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Henning Schröder
URN:urn:nbn:de:kola-21785
Title Additional (German):Verteilung und Mobilität von Metall(oid)en an der Sediment- Wasser-Grenzschicht
Referee:Thomas A. Ternes, Joachim Scholz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2021/03/11
Date of publication:2021/03/11
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2021/03/05
Release Date:2021/03/11
Tag:Depth Profile; Fractionation; Metalloids; Metals; Pore Water; Sediment Water Interface; Speciation
Number of pages:IV, 296
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG