Negativ Physiologische Wirkung Positiv

6 Schwermetalle und Biosysteme

Nahrungskette

Mensch

Wasser Boden

Getreide Früchte

Brot

Pflanze Haustiere

Fleisch Milch

Transport

Aquifer

Oberflächenwässer

Chemie des Schadstoffs

-Schwermetall - Organika

Solved ions

Uptake into crystal lattice

Sorption on pure surface

Precipitationon surface

Metall - Interaction Processes

(Aquatic System - Surface)

Biofilm

Organic coating Microorganisms

Colloids

Sorbed colloids

Teilsystem:

Wechselwirkungsprozesse von Metallen mit geo-chemischen Oberflächen

Chemische Speziation/Bindungsform

Definition:

Chemischer Zustand eines Elementes unter definierten chemisch-physikalischen Bedingungen

Einflussparameter auf die Speziesverteilung:

- Konzentration der Elemente

- Ionenstärke (Aktivitätskoeffizient)

- organische und anorganische Komplexbildner - Temperatur, Druck (Gasgleichgewichte)

- pH-Wert

- Redoxpotential (Sauerstoffgehalt)

- vorhandene feste Phasen (Art, Struktur der Oberfläche) - Kolloide

- Mikroorganismen, Pilze

Methoden der Speziationsbestimmung (allgemein)

* Unterscheidung nach indirekten und direkten Methoden zur Bestimmung der Speziation (Auswahl):

indirekt: Beobachtung einer chemischen Reaktion und davon wird die Speziation abgeleitet:

Solvent Extraktion, Ionenaustausch, Adsorption Co- Präzipitation

direkt: Spektroskopische Methoden, die die Speziation

bestimmen ohne die Ausgangsspeziation zu verändern:

Absorptionsspektroskopie, Laser-induzierte

Fluoreszenz- und Photoakustische Spektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie

Transport / Migration

Migration = Wanderung

- Verhältnis von Mobilisierung und

Immobilisierung / Retardierung der Schwermetalle - abhängig von Geschwindigkeit der wässrigen Phase - abhängig von chemischen Zustand/Speziation der

Schwermetalle

- Schwermetalle können gelöst und kolloidal transportiert werden

Transport von Schwermetallverbindungen in Luft, Wasser, Boden

- Verteilung zwischen den Kompartimenten Transport - Transfer - Transformation - Luft:

Gasgelöst (Partialdruck), an Schwebstoffe/Aerosole gebunden - Wässrige Phase:

Echt gelöst (<1 nm Ø) und /oder kolloidal, partikulär - Boden:

Transportmittel ist Wasser = mobile Phase, Boden/Gestein = Festphase

(Sorption / Desorption / Ausfällung)

Stoffkreislauf der Schwermetalle (SM) I

Atmosphäre:

- SM gelangen durch Abluft in die Atmosphäre

Atmosphäre besitzt auch für die SM als Transportmedium Bedeutung!

Beispiele: Globale Verbreitung von Blei (Blei-Tetraäthyl, C₈ H₂₀ Pb) oder Edelmetalle (aus KfZ- Katalysatoren)

- werden auf den Boden abgelagert

- geringer Teil der in den Boden gelangten SM wird von den Pflanzen aufgenommen

- damit gelangen die SM durch die Nahrungskette über die Tiere oder auch direkt durch pflanzliche Nahrungen in den menschlichen Körper, - Pflanzen, Tiere und Menschen können die SM aber auch direkt aus der

Luft aufnehmen

Stoffkreislauf der Schwermetalle (SM) II

Oberflächengewässer:

SM gelangen in erster Linie aus Abwässern von Industrie und Haushalten in die Oberflächengewässer,

- aber auch durch direkte Ablagerung SM-haltigen Staubes aus der Luft,

- ein großer Teil der SM im Abwasser wird im Klärschlamm zurückgehalten,

- Rest gelangt in Flüsse (evt. bis ins Meer),

Endstation: Sedimente von Flüssen, Seen und Meeren?

Schwermetallablagerung in Böden und Sedimenten

- Böden und Sedimente sind Senken für Schwermetalle, aber keine Endlager

Prozesse zur Schwermetallausscheidung aus Wasser:

* Gleichgewichte beachten!

- Ausfällung - Mitfällung

- Sorption (Absorption, Adsorption, Chemisorption) - Ionenaustausch (Tonminerale)

- Komplexbildung durch an Böden sorbierte Organika

Parameteränderung:…Auflösung, Desorption

Geo-System:

Chemische Formen (Komplexe der Schwermetalle)

- Carbonate - Sulfate - Silicate - Chloride - Phosphate - Hydroxyl

- Gemischte Komplexe

- Komplexe mit Humin- und Fulvinsäuren - Komplexe mit Holzabbauprodukten

Durchschnittliche elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpers

Element Gehalt^a) Element Gehalt^a) Element Gehalt^a)

H 7.000 K 140 Rb 1,1

B 0,1 Ca^b) 1.050 Sr 0,14

C 12.600 Ti 0,1 Zr 0,3

N 2.100 V^c) 0,2 Nb 0,1

O 45.500 Cr^c) 0,005 Mo 0,005

F 0,8 Mn^c) 0,02 Cd 0,03

Na^b) 105 Fe^c) 4,2 Sn^c) 0,03

Mg^b) 35 Co^c) 0,003 Sb 0,07

Al 0,1 Ni 0,01 I 0,03

Si 1,4 Cu^c) 0,11 Ba 0,016

P 700 Zn^c) 2,33 Pb 0,08

S 175 As 0,014

Cl 105 Se 0,02

a) bezogen auf 70 kg Körpergewicht

b) essentielle Leichtmetalle (Ionen im Körper) c) essentielle Schwermetalle (kommen in Spuren in Proteinen u.ä. vor)

Wechselwirkung Metall im Körper

- Metallkonzentration schwankt,

- Metall liegen in unterschiedlichen Verbindungen vor,

- Mangel und Überschuss kann zu Krankheitssymptomen führen, - Erkennen von essentiellen und nichtessentiellen Elementen.

Wirkung der Schadstoffe (Metalle)

physische Wirkung

Konzentration

Krankheit/ Mangel Gesundheit toxische Krankheit/

Tod Wirkung Tod

Physiologische Wirkung von Schwermetallen als Funktion ihrer Konzentration

Negativ Physiologische Wirkung Positiv

Konzentration

Essentielles

Schwermetall

Nichtessentielles Schwermetall

Organische Umweltchemikalien

- Organika

- Organische Metallverbindungen

FCKWFluorchlorkohlenwasserstoffe PCDD Polychlorierte Dibenzo-1,4-dioxine PAH Polycyclischearomatische Kohlenwasserstoffe PAN Peroxyacetylnitrat(Smog-Verbindung)PCDF Polychlorierte Dibenzofurane PCB Polychlorierte Biphenyle

VOC Flüchtige organische Verbindungen TBT Tributylzinn(engl. Tributyltin) EDTA Ethylendiamintetraacetat

PER Tetrachlorethen NTA Nitrilotriacetat(Tris[carboxymethyl]amin) Tenside Oberflächenaktive, waschaktive Substanzen

Bestimmung der Fettlöslichkeit (Lipophilie)

- Maß der Verteilung einer Substanz in einem Gemisch von 1-Octanol und Wasser:

K

= C

/ C

C

– Substanzkonzentration in der 1-Octanolphase C

– Substanzkonzentration in der wässrigen Phase

…Fettlöslichkeit ein Kriterium zur Aufnahme in den Organismus

Transportwege für Schadstoffe/Umweltchemikalien im Körper

Aufnahme und Schicksal von Chemikalien

im Organismus

Aufbau einer Zelle (schematisch)

…Was schädigt ein Metall, auf welche Art und Weise?

Asservierung von Körpermaterialien zur Schadstoffbestimmung

kurz zurückliegende Belastung

Kontamination (Organika, Metalle) von Pflanzen

Atmosphäre + gasförmig

+ gelöst in Wassertropfen + sorbiert an Aerosolen

Verteilung Boden - Luft

+ gasförmig

+ gelöst in Bodenwasser Boden

Bestimmung des Transfers von Schwermetallen in Pflanzen

- Transferfaktor Boden/Pflanze:

… viele Daten zum Transferfaktor von unterschiedlichen Metallen bekannt!

Transferfaktor ist Summenparameter

…Gültigkeit nur für die untersuchten Parameter

- Definition frische, getrocknete Probe, Maßeinheit…

- Probenpräparation Wachstumsdauer, Klima, Zeitpunkt der Ernte, Waschprozedur…

- Bodentyp Zusammensetzung, pH-Wert, Korngröße…

- Art der Pflanze Baum, Gras…

- Teil der Pflanze Wurzel, Stengel, Blatt, Frucht

- Speziation Komplexierung des SM im Boden/Porenwasser

Transferfaktor muss in konkrete chemisch-physikalische Parameter entfaltet werden

Ein Ziel:

Spektroskopische Bestimmung der Schwermetallspeziation in Boden / Porenwasser und Pflanze

Uranspeziation in Pflanzen

Ausgangssituation:

- Aufnahme von Uran in verschiedenste Pflanzen gut untersucht:

O. Frindik: Uran in Böden, Pflanzen und Lebensmitteln, Landwirtschaftliche Forschung 39, 75 (1986)

- Aufnahme ist von Speziation abhängig:

S.D. Ebbs et al.: Role of uranium speciation in uptake and translocation of uranium by plants J. Exp. Botany 49 , 1183 (1998)

-Kein spektroskopischerNachweis derUranbindung in Pflanzen bis:

A. Günther et al.: Uranium speciation in plants Radiochimica Acta 91, 319 (2003)

Spezifische Aktivität Pflanze (Bq/kg^-1) (Frischmasse) TF = --- --- ---

Spezifische Aktivität Boden (Bq/kg^-1) (Trockenmasse)

Pflanze TF_(U)

---

Lupine 6.0 x 10^-2

Gerste 1.0 x 10^-3 Weizen 8.8 x 10^-4 Kartoffel 8.3 x 10^-4 Karotten 4.3 x 10^-4

Apfel 7.2 x 10^-5

Birne 1.4 x 10^-3

Beispiel aus aktueller Forschung:

Präparation (Lupine)

Boden Uran – Kontamination Lösung

U_conc. : 100 mg -1000 mg/kg U_conc. : 2.5 x 10^-2 - 1.0 x 10^-4 M U

pH : 4 - 8 pH : 3 - 8

Zeit : 3 Monate Zeit : 14 Tage

Lupinus angustifolius

Wachstum (Bodenkultur, Hydrokultur) Æ

Ernte Æ

Reinigung (Waschprozess) Æ

Trennung (Wurzel, Stengel, Blatt)

Æ Ä frische Probe

Trocknung (max. 30°C) Æ

Pulverisierung

Ä getrocknete Probe

Abhängigkeit des Transferfaktors von der Uranspeziation in der Hydrokulturlösung

450 500 550 600

0 20 40 60 80 100

1 2 3 4 5 6 Hydroponic solution

pH 3.0

W avelength (nm)

Delay time (ns) Intensity (rel.)

3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 Hydroponic solution

2.5x10^-2M UO₂(NO₃)₂

UO₂²⁺ (UO₂)₂OH³⁺

(UO₂)₂(OH)₂²⁺ (UO₂)₃(OH)₄²⁺

(UO₂)₃(OH)₅⁺ (UO₂)₄(OH)₇+ (UO₂)₂CO₃(OH)₃- (UO₂)₃(OH)₇-

Species distribution / %U

pH

Hydrokultur: Lupine; Wasser: 2 x 10^-2M U, (Trinkwasser)

Uranspeziation TF_(U)

pH 3.0 UO₂²⁺, (UO₂ )₂(OH)³⁺ , (UO₂ )₂(OH)₂²⁺ 3.0 x 10^-1 pH 5.0 (UO₂ )₃(OH)₅⁺, (UO₂ )₄(OH)₇⁺, (UO₂ )₂(OH)₂²⁺ 7.2 x 10^-2 pH 6.0 (UO₂ )₄(OH)₇⁺, (UO₂ )₃(OH)₅⁺, (UO₂)₂CO₃(OH)₃^- 6.0 x 10^-2 pH 8.0 (UO₂ )₄(OH)₇⁺, (UO₂ )₃(OH)₇^-, UO₂)₂CO₃(OH)₃^- 6.0 x 10^-2

Calculations with EQ 3/6, NEA-database Spectroscopic determination by fluorescence measurements

TRLFS - Spektrenvergleich

Wurzel Spross Blatt

Lupine Hydrokulturlösung

c_uranium: 2.5·10^-2 M, pH 3.0

⇒ 82.7% UO₂²⁺; 8.4%(UO₂)₂OH³⁺, 3.0% (UO₂)₂(OH)₂²⁺

(calculated with EQ3/6)

450 500 550 600

0 13 25 38 50 63 75 88 100

0.02 0.01 0.02 0.05 1.00 501.5 nm 521.9 nm 544.1 nm 572.2 nm

Emission wavelength (nm)

Delay time (µs)Fluorescence intensity (rel.)

450 500 550 600

0 13 25 38 50 63 75 88 100

0.02 0.01 0.05 1.10 4.10 502.1 nm 524.1 nm 547.7 nm 572.3 nm

Emission wavelength (nm)

Delay time (µs)Fluorescence intensity (rel.)

450 500 550 600

0 14 29 43 57 71 86 100

0.02 0.05 1.90 501.7 nm

530.7 nm 546.9 nm

Emission wavelength (nm)

Delay time (µs)Fluorescence intensity (rel.)

450 500 550 600

0 20 40 60 80 100

0.001 0.500 1.000 2.000 4.000 6.000 482.8 nm

496.5 nm 518.0 nm 542.3 nm 565.4 nm

Emission wavelength (nm)

Delay time (µs)Fluorescence intensity (rel.)

SEM/EDX Messungen (Hydrokultur)

Bindungsform von Uran und Transfer in Biosystemen Pflanzen:

- um Kenntnisse zur Schwermetallbelastung und radiologischen Belastung des Menschen zu verbessern, ist das Wissen zur Bindungsform/Speziation entlang der Nahrungskette in den biologischen Systemen notwendig,

- in wässrigen Systemen unter realen Umweltbedingungen (Luft) sind Uran - Carbonatkomplexe dominierend,

- In Pflanzen konnte die Bildung von Uran-Phosphat- und Carboxylat Bindungen spektroskopische nachgewiesen werden

Dimensionen biologischer Strukturen im Vergleich

Bakterien

Bakterielle Diversität:

Bestimmung der Keimzahl in Medien

Bestimmung von Keimzahlen in relevanten Medien

ca. 10³- 10⁷ Zellen/ml

Mikroorganismen

- Bakterien (Eubakterien, Archeabakterien) - Pilze / Hefen

- Algen

Mikroorganismen

Effektivität bei allen Lebenskriterien (Mikrokosmos)

- Stoffwechsel und Energieumwandlung - Selbstreproduktion und Wachstum

- Signalrezeption und -reaktion - Beweglichkeit

- Evolution

Bakterien – Extremisten des Lebens

„Extremophile“ Bakterien:

Hitze, Kälte, radioaktive Strahlung, extrem acidophil, alkalophil, hohe Ionenstärke

Pyrolobus fumari Deinococcus radiodurans, Picrophilus torridus Haloferx volcanii

in Kaminen > 100^oC Strahlendosis >18.000 Gray in japanischen Mount-Yo Vulkan erzeugen im Inneren höhere Salz- Entdeckung bei Fleischbestrahlung niedrigste pH-Werte, 65^oC konzentration als außerhalb

Quelle der Bilder www.

- Optimierung und Anpassung bakterieller Lebensprozesse an extreme Umweltbedingungen

Mikroorganismen - Charakteristika

- Mikroorganismen sind in der Natur allgegenwärtig

- können unter extremen Bedingungen (Temperatur, Druck, Ionenstärke, Strahlung) existieren

- wechselwirken mit Metallen und Organika

- mikrobielle Prozesse können den Transport von Metallen beeinflussen (Sorption an Biofilme, kolloidaler Transport) - Defizite des Verständnisses der Wechselwirkungen auf

molekularem Niveau - Vorgehensweise:

Bestimmung der Biodiversität (in Böden, Wässern) als Voraussetzung; Nachweis der gebundenen Spezies

Mikroorganismen

Bedeutung

- bei Stoffkreisläufen

- Schlüsselstellung bei Mineralisierung

- Zersetzung von organischen Schadstoffen (Xenobiotika) - Ernährung, Lebensmittel- und Getränkeherstellung z.B.

- Landwirtschaft (Silofutter), Industrie (Vergärungsprozesse, Erzlaugung) - Energie (Biogas)

- Gesundheitswesen (Produktion von Antikörper, Immunstimulatoren) - Wasserreinigung, Sanierung von Böden, Analytische Verfahren

- Transport von Schwermetallen in der Umwelt

Bedeutung der Bakterien bei Deponierung und Endlagerung

Deponierung:

- Zersetzung von Organika

- Kolloidaler Transport von Schadstoffen

Endlagerung toxischer und radioaktiver Stoffe:

- Vorhandensein von Bakterien in Wirtsformationen eines Endlagers

- Anpassung bakterieller Lebensbedingungen an Bedingungen im Endlager (Unterschiede offenes und geschlossenes Endlager)

- Beeinflussung der Chemie der Schwermetalle im Endlager

- Einfluss auf Akkumulation/ Transport von Metallen durch Bakterien - Biokolloidbildung

- Abbau organischer Stoffe, Möglichkeit der Gasbildung

Bakterienzelle

PHB = Poly-β-hydroxybutyrat-Granula(PHB)

Unterschiede im Zellewandaufbau

- gram-positive/Peptidoglycan Schicht, - gram-negative/Lipopolysaccharide

Gram- negativ

Gram-positiv

Biosorption Bioakkumulation Biomineralisation

Komplexbildung zelluläre Metallaufnahme Bildung von Präzipitaten mit zellulären Liganden

Biotransformation Mikrobiell gesteigerte Chemisorption

Reduktionsprozess Einbau von Metallen in gebildete Präzipitate

Bakterienzelle

Me²⁺+ 2L^- = MeL₂

Me²⁺ (out)

Me²⁺ (in)

Me²⁺ + 2OH^- = Me(OH)₂ Me²⁺ + S^2- = MeS

Me²⁺ + HPO₄^2- = MeHPO₄

Me²⁺

MeO₂²⁺ = MeO₂ Me(VI) = Me(IV,III)

Bakterien

Mechanismus des Lebens:

Kohlenstoffquelle:

- Bakterien (autotrophe) Nutzung von CO₂

(heterotrophe) Nutzung von Organika

Energiequelle:

- Bakterien (phototrophe) natürliches Licht (Assimilation) (chemotrophe) Redox-Reaktionen

Quelle von Donoren:

- Bakterien (lithotrophe) anorg. Wasserstoff als Elektronendonor (organotrophe) Organika als Wasserstoff bzw.

Elektronendonor

Speicherung/Freisetzung von Energie:

(Adenosinphosphatkreislauf) ATP ADP +anorg. Phosphate + Energie

Nährstoffansprüche der Mikroorganismen

∗ Spurenelemente wie Mn, Zn, Cu, Mo, Co, Ni, V, Se, W limitieren nur bei sehr hohen Konzentrationen das Wachstum

∗ Angebot an organischem Substrat muß in günstigem Verhältnis zu Spurenelementkonzentration stehen

∗ einige Mikroorganismen benötigen zusätzlich Vitamine, Aminosäuren oder Purine als Wachstumsfaktoren

(pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff)

Beispiel:

Wechselwirkung von Bakterien

(Acidithiobacillus ferrooxidans) mit Uran

- Aufklärung der bakteriellen Diversität (Halden, Wässer) - WW mit Uran (Uranaufnahme, Abgabe, Bedingungen - Nutzung zur Wasserreinigung

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0

1 5 3 0 4 5 6 0 7 5

A . fe rro o x id a n s D 2 p H 4

A . fe rro o x id a n s D 2 p H 1 .5 (ty p e III) A . fe rro o x id a n s A T C C 3 3 0 2 0 p H 4

A . fe rro o x id a n s A T C C 3 3 0 2 0 p H 1 .5 (ty p e II) A . fe rro o x id a n s W 1 p H 4

A . fe rro o x id a n s W 1 p H 1 .5 (ty p e I)

[U]/(mg/g dry w e ight)

[U ]/(m g /L )

Uran Biosorption an Acidithiobacillus ferrooxidans

Uran Desorption Acidithiobacillus ferrooxidans

Mikroskopische Lokalisation des Metalls (Uran durch

TEM)

Leptospirillum ferrooxidans Acidithiobacillus ferrooxidans

Desulfovibrio äspoensis

Wechselwirkung verschiedener Bakterien mit Uran

Microbacterium oxydans Iso M4

Arthrobacter sp.

JG37-Iso2

Bacillus sphaericus JG-A12

→ Binding of U(VI) to carboxyl and phosphate groups

- Sorption

- Akkumulation

- Sorption

- Transformation

- Sorption

- Sorption - Sorption

- Mineralisation

-Sorption

Umsetzung von chemischen Elementen durch

Mikroorganismen

Entwicklung biologisierter Keramiken (Biocere)

zur Reinigung der Sickerwässer von Uranabfallhalden

Isolierung der Gesamt- DNA aus Boden- oder Wasserproben

Identifizierung der Bakterien

Uranabfall- halden

Auswahl geeigneter Bakterien

Bacillus sphaericus JG-A12

Einbettung derBakterien in eine poröse

SiO₂-Matrix Drainage

Reinigung des Sicker- wassers im

Biocer- reaktor Lösen des

Urans

Anwendung

Nutzung bakterieller Entgiftungsstrategieen

zur Sanierung von Uranabfallhalden

Fluss

Mikrobiologischer Abbau zu Huminstoffen