6 Schwermetalle und Biosysteme

Nahrungskette

Mensch

WasserBoden

Getreide

Früchte

Brot

Pflanze

Haustiere

Fleisch Milch

TransportAquifer

OberflächenwässerChemie desSchadstoffs

-

Schwermetall- Organika

Solved

ions

Uptake into crystal lattice

Sorption

on pure surface

Precipitation

on surface

Metall

-

Interaction Processes(Aquatic System -

Surface)

Biofilm

Organic

coating

Microorganisms

Colloids

Sorbedcolloids

Teilsystem: Wechselwirkungsprozesse von Metallen mit geo-chemischen Oberflächen

Chemische Speziation/Bindungsform

Definition:Chemischer Zustand eines Elementes unter definiertenchemisch-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, AdsorptionCo-

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 derSchwermetalle

-

Schwermetalle können gelöst und kolloidal

transportiert werden

Transport von Schwermetallverbindungen inLuft, Wasser, Boden

-

Verteilung zwischen den KompartimentenTransport -

Transfer -

Transformation

-

Luft:Gasgelöst (Partialdruck), an Schwebstoffe/Aerosole gebunden

-

Wässrige Phase:Echt gelöst (

Stoffkreislauf der Schwermetalle (SM) I

Atmosphäre:-

SM gelangen durch Abluft in die AtmosphäreAtmosphäre 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 derLuft 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 derLuft,

-

ein großer Teil der SM im Abwasser wird im Klärschlammzurückgehalten,

-

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, aberkeine 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

Gehalta)

Element

Gehalta)

Element Gehalta)

H 7.000 K 140 Rb 1,1

B 0,1 Cab) 1.050 Sr 0,14

C 12.600 Ti 0,1 Zr 0,3

N 2.100 Vc) 0,2 Nb 0,1

O 45.500 Crc) 0,005 Mo 0,005

F 0,8 Mnc) 0,02 Cd 0,03

Nab) 105 Fec) 4,2 Snc) 0,03

Mgb) 35 Coc) 0,003 Sb 0,07

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

Si 1,4 Cuc) 0,11 Ba 0,016

P 700 Znc) 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)

physischeWirkung

Konzentration

Krankheit/ Mangel Gesundheit toxische Krankheit/Tod Wirkung Tod

Physiologische Wirkung von Schwermetallen als Funktion ihrer Konzentration

Neg

ativ

P

hysi

olog

isch

e W

irkun

g

P

ositi

v

Konzentration

EssentiellesSchwermetall

NichtessentiellesSchwermetall

Organische Umweltchemikalien- Organika-

Organische Metallverbindungen

FCKW

Fluorchlorkohlenwasserstoffe

PCDD

Polychlorierte Dibenzo-1,4-dioxine

PAH

Polycyclische

aromatische KohlenwasserstoffePAN

Peroxyacetylnitrat

(Smog-Verbindung)PCDF

Polychlorierte Dibenzofurane

PCB

Polychlorierte BiphenyleVOC

Flüchtige organische Verbindungen

TBT

Tributylzinn

(engl. Tributyltin)

EDTA

EthylendiamintetraacetatPER

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:

KOW

= CO

/ CW

CO

–

Substanzkonzentration in der 1-Octanolphase CW

–

Substanzkonzentration in der wässrigen Phase

…Fettlöslichkeit ein Kriterium zur Aufnahme in den Organismus

Transportwege für Schadstoffe/Umweltchemikalien im Körper

Aufnahme und Schicksal von Chemikalienim 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 plantsJ. Exp. Botany 49 , 1183 (1998)

-

Kein

spektroskopischer

Nachweis

der

Uranbindung

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 10-2Gerste

1.0 x 10-3 Weizen

8.8 x 10-4 Kartoffel

8.3 x 10-4Karotten

4.3 x 10-4Apfel

7.2 x 10-5

Birne

1.4 x 10-3

Beispiel aus aktueller Forschung:

Präparation

(Lupine)

Boden

Uran –

Kontamination

LösungUconc.

: 100 mg -

1000 mg/kg

Uconc.

: 2.5 x 10-2

-

1.0 x 10-4

M UpH

: 4 -

8 pH

: 3 -

8Zeit : 3 Monate

Zeit : 14 Tage

Lupinus

angustifoliusWachstum (Bodenkultur, Hydrokultur)

Ernte

Reinigung (Waschprozess)

Trennung (Wurzel, Stengel, Blatt)

frische Probe

Trocknung (max. 30°C)

Pulverisierung

getrocknete Probe

Abhängigkeit

des Transferfaktors

von der

Uranspeziationin der

Hydrokulturlösung

450 500 550 600

0

20

40

60

80

100

123456

Hydroponic solution

pH 3.0

Wavelength (nm)

Del

ay ti

me

(ns)

Inte

nsity

(re

l.)

3 4 5 6 7 80

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Hydroponic solution

2.5x10-2M UO2(NO3)2

UO22+ (UO2)2OH

3+

(UO2)2(OH)22+ (UO2)3(OH)4

2+

(UO2)3(OH)5+ (UO2)4(OH)7+

(UO2)2CO3(OH)3- (UO2)3(OH)7-

Spe

cies

dis

trib

utio

n / %

U

pH

Hydrokultur:

Lupine; Wasser: 2 x 10-2

M U, (Trinkwasser)

Uranspeziation

TF(U)pH 3.0 UO22+, (UO2 )2

(OH)3+ , (UO2 )2

(OH)22+ 3.0 x 10-1pH 5.0 (UO2 )3

(OH)5+, (UO2 )4

(OH)7+, (UO2 )2

(OH)22+

7.2 x 10-2pH 6.0 (UO2 )4

(OH)7+, (UO2 )3

(OH)5+, (UO2

)2

CO3

(OH)3-

6.0 x 10-2pH 8.0 (UO2 )4

(OH)7+, (UO2 )3

(OH)7-

, UO2

)2

CO3

(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 Hydrokulturlösungcuranium

: 2.5·10-2 M, pH 3.0

⇒

82.7% UO22+;8.4%(UO2

)2

OH3+,3.0% (UO2

)2

(OH)22+(calculated with EQ3/6)

450 500 550 600

013253850637588100

0.020.010.020.051.00

501.5 nm521.9 nm544.1 nm572.2 nm

Emission wavelength (nm)

Del

ay ti

me

(µs)

Fluo

resc

ence

inte

nsity

(rel

.)

450 500 550 600

013253850637588100

0.020.010.051.104.10

502.1 nm524.1 nm547.7 nm572.3 nm

Emission wavelength (nm)

Del

ay ti

me

(µs)

Fluo

resc

ence

inte

nsity

(rel

.)

450 500 550 600

0142943577186100

0.02

0.05

1.90

501.7 nm530.7 nm546.9 nm

Emission wavelength (nm)

Del

ay ti

me

(µs)

Fluo

resc

ence

inte

nsity

(rel

.)

450 500 550 600

0

20

40

60

80

100

0.0010.5001.0002.0004.0006.000

482.8 nm496.5 nm518.0 nm542.3 nm565.4 nm

Emission wavelength (nm)

Del

ay ti

me

(µs)

Fluo

resc

ence

inte

nsity

(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 > 100oC Strahlendosis >18.000 Gray in japanischen Mount-Yo Vulkan erzeugen im Inneren höhere Salz-Entdeckung bei Fleischbestrahlung niedrigste pH-Werte, 65oC 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 aufmolekularem 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

BiomineralisationKomplexbildung zelluläre Metallaufnahme Bildung von Präzipitatenmit zellulären Liganden

Biotransformation

Mikrobiell

gesteigerte

ChemisorptionReduktionsprozess Einbau von Metallen in gebildete Präzipitate

Bakterienzelle

Me2++ 2L- = MeL2

Me2+ (out)

Me2+ (in)

Me2+ + 2OH- = Me(OH)2Me2+ + S2- = MeSMe2+ + HPO42- = MeHPO4

Me2+MeO22+ = MeO2Me(VI) = Me(IV,III)

BakterienMechanismus 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, Wlimitieren nur bei sehr hohen Konzentrationen dasWachstum

∗

Angebot an organischem Substrat muß

in günstigemVerhältnis 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 rroox idans D 2 pH 4

A . fe rroox idans D 2 pH 1 .5 (type III)

A . fe rroox idans A T C C 33020 pH 4

A . fe rroox idans A T C C 33020 pH 1 .5 (type II)

A . fe rroox idans W 1 pH 4

A . fe rroox idans W 1 pH 1 .5 (type I)

[U]/(

mg/

g dr

y w

eigh

t)

[U ]/(m g /L )

Uran Biosorption

an Acidithiobacillus ferrooxidans

Uran Desorption

Acidithiobacillus ferrooxidans

Mikroskopische Lokalisation des Metalls (Uran durch TEM)

Leptospirillumferrooxidans

Acidithiobacillusferrooxidans

Desulfovibrioäspoensis

Wechselwirkung

verschiedener

Bakterien

mit

Uran

Microbacteriumoxydans Iso

M4

Arthrobacter sp.JG37-Iso2

Bacillus sphaericusJG-A12

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

- Sorption

- Akkumulation

- Sorption

- Transformation

- Sorption

- Sorption - Sorption

- Mineralisation

- Sorption

Umsetzung von chemischen Elementen durchMikroorganismen

Entwicklung biologisierter

Keramiken (Biocere)zur Reinigung der Sickerwässer von Uranabfallhalden

Isolierung der Gesamt-DNA aus Boden-

oder Wasserproben

Identifizierung der Bakterien

Uranabfall-halden

Auswahl geeigneterBakterien

BacillussphaericusJG-A12

Einbettungder

Bakterienin eine

poröseSiO2

-MatrixDrainageReinigungdes Sicker-wassers im

Biocer-reaktor

Lösen desUrans

Anwendung

Nutzung bakterieller Entgiftungsstrategieen

zur Sanierung von Uranabfallhalden

Fluss

Mikrobiologischer Abbau zu Huminstoffen

Foliennummer 1Foliennummer 2Foliennummer 3Foliennummer 4Foliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer 7Foliennummer 8Foliennummer 9Foliennummer 10Foliennummer 11Foliennummer 12Foliennummer 13Wirkung der Schadstoffe (Metalle)Foliennummer 15Foliennummer 16Foliennummer 17Foliennummer 18Foliennummer 19Foliennummer 20Foliennummer 21Foliennummer 22Foliennummer 23Transferfaktor ist Summenparameter�…Gültigkeit nur für die untersuchten ParameterFoliennummer 25Foliennummer 26Foliennummer 27TRLFS - Spektrenvergleich Foliennummer 29�Bindungsform von Uran und Transfer in Biosystemen�Pflanzen:�Dimensionen biologischer Strukturen im VergleichBakterielle Diversität: �Bestimmung der Keimzahl in MedienFoliennummer 33Foliennummer 34Bakterien – Extremisten des LebensFoliennummer 36Foliennummer 37Bedeutung der Bakterien bei Deponierung und EndlagerungFoliennummer 39Foliennummer 40Foliennummer 41Foliennummer 42Foliennummer 43Foliennummer 44Foliennummer 45Foliennummer 46Foliennummer 47Foliennummer 48Foliennummer 49Foliennummer 50Foliennummer 51