E RGEBNISSE UND D ISKUSSION
16 Nachweis der kinetisch kontrollierten Versuchsbedingungen
Es wurden zwei Ansätze mit der gleichen Menge Rieselfeldboden in die Elutionsapparatur eingebracht und mit deionisiertem Wasser insgesamt 190 Stunden bei 15 °C Umgebungstemperatur eluiert. Nach 93,5 Stunden wurde der Fluss durch die Säulen für 72 Stunden unterbrochen und dann wieder gestartet (Versuchsbeschreibung Kapitel 13).
Dieser Versuch wurde durchgeführt, um zu beweisen, dass die folgenden Elutionsversuche kinetisch kontrolliert sind und die Ergebnisse nicht von der Einstellung des Gleichgewichts zwischen organischer Substanz bzw. einzelnen Stoffgruppen mit dem sie umgebenden Wasser abhängig sind. Des Weiteren sollte überprüft werden, inwiefern die Daten von zwei Ansätzen miteinander vergleichbar sind.
Da bei diesen Bodenexperimenten die Durchführung des Versuchs und die Aufarbeitung der Proben sehr aufwendig ist, wurde auf mehr Wiederholungen verzichtet. Außerdem konnten die DiCl-OHBP und TetraCl-OHBP aufgrund der geringeren Eluatvolumina nicht bestimmt werden.
Die UV-Absorption des Eluats steigt innerhalb der ersten 5 Stunden stark an und bildet einen Peak innerhalb der ersten 24 Stunden. Dieser Peak entspricht der Freisetzung organischer Stoffe im Boden, die z.B. nur locker gebunden oder frei verfügbar sind. Die Stärke dieses Peaks ist unter anderem abhängig von der Vorbehandlung des Bodens und kann z.B. auch durch mechanische Störungen wie Sieben oder Mischen verändert werden. Daher eignet sich diese Phase der Elution nicht zur Untersuchung verschiedener Einflüsse auf das Freisetzungsverhalten von Stoffen.
In den folgenden Stunden fällt die Absorption wieder langsam ab, um sich nach etwa 70 Stunden bei einem annähernd gleich bleibenden Wert einzustellen. Die ab diesem Zeitpunkt gemessene Absorption entspricht also den Stoffmengen, die unter konstanten Flussbedingungen dauerhaft gleich bleibend freigesetzt werden und nur durch permanente Veränderung des Bodens verringert oder vermehrt werden können.
Um solche Veränderungen allerdings sichtbar machen zu können, muss unter kinetisch kontrollierten Bedingungen gearbeitet werden. D.h. die Freisetzung der Stoffe sollte nicht auf eine Gleichgewichtseinstellung zwischen Boden und Wasser zurückzuführen sein. Bei einer Flussunterbrechung und anschließender Weiterelution sollte also unter Gleichgewichts-bedingungen kein Unterschied in den freigesetzten Stoffmengen bzw. der Absorption zu erkennen sein. Arbeitet man allerdings unter kinetischer Kontrolle, müsste sich beim erneuten Starten der Elution ein deutlicher Anstieg der freigesetzten Stoffmengen zeigen, der auf einer Gleichgewichtseinstellung der Stoffe mit dem umgebenden Wasser während der Stoppperiode beruht (Brusseau et al., 1997). Da der Boden während der Stoppzeit in der Elutionsapparatur verbleibt und nicht z.B. durch Rühren gestört wird, kann ausgeschlossen werden, dass diese Erhöhung der Freisetzung durch mechanische Störungen, wie es beim Anfangspeak beobachtet wird, ausgelöst wird. Nachdem sich die Bedingungen der kinetischen Kontrolle wieder eingestellt haben, sollte ein Wert erreicht werden, der dem vor dem Elutionsstop entspricht.
Dieser Effekt ist deutlich in Abb. 19 zu erkennen (2. Teil). Vor der Unterbrechung des Eluentenflusses wurde ein SAK254 nm von 20 m-1 gemessen. Der Eluentenfluss durch den Boden wurde für insgesamt 72 Stunden angehalten und dann wieder gestartet. Daraufhin zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Absorption auf durchschnittlich 300 m-1. Nach etwa 10 Stunden wurde dann wieder ein Wert erreicht, der dem entsprach, der vor der Flussunterbrechung gemessen wurde.
Aus Tab. 18 können die SAK254 nm-Werte entnommen werden, die jeweils in den einzelnen Eluaten der beiden Ansätze gemessen wurden.
SAK254 nm [1/m]
Eluat
#
Elutions-dauer
[h] Ansatz 1 Ansatz 2 MW
Stabw.
vom MW
% Stabw.
vom MW
Quotient [Ansatz 1 / Ansatz 2]
1 24 80,2 76,7 78,5 2,4 3 1,05
2 46,5 55,6 42,8 49,2 9,0 18 1,30
3.1 69,5 23,2 29,5 26,4 4,5 17 0,79
3.2 81,5 20,3 25,3 22,8 3,5 16 0,80
3.3 93,5 19,4 20,5 20,0 0,8 4 0,95
4.1 165,5 51,6 69,0 60,3 12,3 20 0,75
4.2 177,5 21,1 22,3 21,7 0,8 4 0,95
4.3 189,5 22,6 17,7 20,2 3,5 17 1,28
Tab. 18: In den Eluaten der beiden Ansätze gemessene SAK254 nm-Werte (Mittelwerte aus 3 Messungen), sowie Mittelwerte (MW) der beiden Ansätze, Standardabweichungen (Stabw.) und Quotienten.
Anhand eines einseitigen Student’schen t-Test für eine Stichprobe kann bestimmt werden, ob der Anstieg des SAK-Wertes nach der Flussunterbrechung (Eluat 4.1) signifikant verschieden ist von dem Wert vor der Flussunterbrechung (Mittelwert der Eluate 3.1, 3.2 und 3.3). Die Nullhypothese lautet hierbei, dass der Mittelwert der Daten vor der Flussunterbrechung größer oder gleich dem Wert ist, der danach gemessen wurde (H0: µ ≥ 60,3 m-1). Und die alternative Hypothese ist dementsprechend HA: µ < 60,3 m-1. Die Nullhypothese wird abgelehnt, wenn p < 0,05 ist.
Der Shapiro-Wilk-Test ergab die Werte W = 0,9960/p < 0,8786 und entspricht somit einer Normalverteilung der Daten, die Bedingung für diesen Test ist. Durch den t-Test wurde ein t-Wert von -20,090 ermittelt. Da t(0.05(1),2) = 2,920 und 0,0005 < p< 0,005 wird die Nullhypothese abgelehnt. Somit sind die Werte vor der Flussunterbrechung signifikant kleiner als der Wert, der nach der Unterbrechung gemessen wurde, bzw. der nach der Stoppperiode gemessene Wert zeigt einen signifikanten Anstieg der Freisetzung des gesamten organischen Materials an. Der Unterschied beträgt das 2,6-fache des Mittelwertes vor der Unterbrechung.
Vergleicht man die Werte vor der Unterbrechung mit dem letzten gemessenen Wert nach der Unterbrechung mittels eines zweiseitigen t-Test, ergibt sich kein signifikanter Unterschied mehr, da t = 1,557 und 0,2 < p < 0,4 (H0: µ = 20,2 1/m; HA: µ ≠ 20,2 1/m;
t(0.05(2),2) = 4,303). Das bedeutet, dass sich die Freisetzung des gesamten organischen Materials wieder nahe dem Wert eingestellt hat, der vor der Flussunterbrechung gemessen wurde.
Für das gesamte organische Material im Boden kann also davon ausgegangen werden, dass die unter den normalen Versuchsbedingungen beobachtete Freisetzung unter kinetischer Kontrolle erfolgt.
16.1.1 Reproduzierbarkeit
Der Quotient der SAK254 nm-Werte der beiden Ansätze sollte bei genau gleichen Messwerten den Wert 1,0 ergeben (Tab. 18). Dabei zeigt sich, dass die maximale Abweichung von 1,0 bis zu 30 % betragen kann (Quotient Eluat 2 = 1,30 = Maximum), was einer Standardabweichung von 18 % vom Mittelwert entspricht. Die höchste Standardabweichung wurde für das Eluat 4.1 mit 20 % ermittelt.
Eine 1-faktorielle ANOVA mit festen Effekten und Typ III QS wurde verwendet, um die Reproduzierbarkeit der beiden Ansätze in Hinsicht auf die Bestimmung der Freisetzung des gesamten organischen Materials als SAK254 nm zu ermitteln.
Der Shapiro-Wilk-Test zur Überprüfung der Normalverteilung der Daten ergab die Werte W = 0,8100 und p = 0,0016, was darauf hindeutet, dass der Datensatz nicht normalverteilt ist. Um dies zu korrigieren, wurden die Werte in ihr Reziprokes transformiert (W = 0,9159, p = 0,1115).
Zur Überprüfung der Varianzenhomogenität wurde der Bartlett-Chi2-Test mit den transformierten Daten durchgeführt. Die Chi2-Verteilung ergab Chi2 = 0,00 mit p = 0,9781, womit bewiesen ist, das Varianzengleichheit vorliegt und somit beide testbaren Vorbedingungen einer 1-faktoriellen ANOVA erfüllt sind.
In Tab. 19 sind die Ergebnisse der ANOVA dargestellt, woraus hervorgeht, dass die Nullhypothese angenommen wird und somit die Daten der beiden Ansätze nicht signifikant verschiedene Werte liefern. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die experimentelle Methode geeignet ist, zwei Ansätze in Bezug auf die Freisetzung des gesamten organischen Materials, gemessen als SAK254 nm, zu vergleichen.
FG Typ III SQ Typ III MQ F p-Werte Ansatz 1 0,00002 0,00002 0,09 0,7677
Fehler 16 0,00367 0,00023 Tab. 19: Ergebnisse der 1-faktoriellen ANOVA.