Arsen in geochemischen Systemen

Mechanismen der Arsenmobilisierung im Red River Delta, Vietnam - Hintergründe der ungleichmäßigen Verteilung gelöster Arsenkonzentrationen in alluvialen Lockersedimenten (Dissertation Teil 1)

Aufgrund hoher gelöster Arsenkonzentrationen im Grundwasser, welches v.a. in Entwicklungsländern unaufbereitet als Trinkwasser verwendet wird, sind weltweit Millionen von Menschen einem hohen Risiko ausgesetzt, an chronischer Arsenvergiftung zu erkranken. Arsen wird dabei durch natürliche Prozesse aus dem Sediment freigesetzt. Um einer möglichen Massenvergiftung entgegenwirken zu können, müssen die Mechanismen der Arsenfreisetzung noch besser erforscht werden. Ebenfalls wichtig ist ein umfassendes Wissen über die Hintergründe der kleinräumig stark schwankenden Arsenkonzentrationen im Grundwasser. Diesbezüglich wurden zwei Standorte in einem Dorf 10 km südöstlich von Hanoi, Vietnam, ausgewählt, die nur ca. 700 m voneinander entfernt liegen, sich aber stark hinsichtlich ihrer gelösten Arsenkonzentrationen unterscheiden. An einem Standort liegen die Konzentrationen unter dem von der WHO empfohlenen Grenzwert von 10 µg As/L, am anderen Standort ist dieser Wert um das bis zu 60-fache überschritten. Um Ursachen für die Unterschiede bestimmen zu können, wurden beide Standorte mittels geochemischer, mineralogischer und hydrologischer Methoden charakterisiert und die Ergebnisse in einem Modell zusammengefasst.

Die Übertragung dieses Modells auf andere betroffene Regionen der Welt kann dabei helfen, arsenbelastete Gebiete leichter zu erkennen und somit Trinkwasserbrunnen nur noch dort zu installieren, wo keine erhöhten Arsenkonzentrationen im Grundwasser zu erwarten sind.

Die wichtigsten Erkenntnisse sind:

• Die Ablagerungsbedingungen der Sedimente innerhalb des Dorfes variieren stark.  Dadurch ist die Durchlässigkeit der Sedimentschichten, sowie die Zusammensetzung des organischen Materials an beiden Standorten verschieden.

• Am mit Arsen belasteten Standort liegen relativ frische, organikreiche Schichten in hydraulischem Kontakt zum unterliegenden Aquifer. Dadurch werden dort stark reduzierende Bedingungen induziert, die in der Auflösung von arsenführenden Eisenoxiden resultieren, wodurch Arsen in das Grundwasser freigesetzt wird.

• Am unbelasteten Standort sind organikreiche Schichten in einen Aquitard eingebettet, so dass Abbauprodukte des organischen Materials nicht in den unterliegenden Aquifer einsickern können. Durch den Mangel an Elektronendonatoren liegen an diesen Standort nur leicht reduzierende Bedingungen vor. Eisenoxide werden nicht aufgelöst und das Arsen bleibt weiter mineralisch gebunden.


Geochemische Veränderungen von Sedimentpartikeln im µm-Bereich durch sequentielle Extraktionen (Dissertation Teil 2)

Erhöhte gelöste Arsenkonzentrationen im Grundwasser sind weltweit anzutreffen. Die Konzentration an gelöstem Arsen hängt allerdings nicht direkt zusammen mit der Konzentration an Arsen im umgebenden Sediment, sondern wird vielmehr davon beeinflusst, wie und an welche Mineralphasen Arsen gebunden vorliegt. Um nähere Informationen über die Bindungspartner und -form in Sedimentproben zu erhalten, werden meist sequentielle Extraktionen angewendet. Da die resultierenden Fraktionen aber nur operationeller Natur sind, geben sie keinen Aufschluss darüber, wo innerhalb eines Minerals Arsen gebunden vorliegt und mit welchen anderen Elementen es assoziiert ist. Außerdem ist recht wenig bekannt darüber, welche geochemischen Veränderungen innerhalb einzelner Körner durch sequentielle Extraktionen ausgelöst werden. Um diese Fragen zu ergründen, wurden synchrotron-basierte Röntgenfluoreszenzmessungen an einzelnen Partikeln durchgeführt (µS-XRF).


Arsen scheint neben weiteren Elementen wie Mangan oder Kupfer, v.a. in Mineralüberzügen aus Eisenoxihydroxiden angereichert zu sein. Sedimentlaugung mit Phosphatlösung führt zu einer Arsenfreisetzung von 34-66%. Die Arsenfreisetzung in diesem Laugungsschritt führt ebenfalls dazu, dass hohe Korrelationen von Arsen und Eisen, wie sie in den ungelaugten Proben auftreten, nicht mehr vorhanden sind. Ebenfalls erhöht sich das Fe/As-Verhältnis im Vergleich zu den Ursprungsproben deutlich. Durch den nächsten Laugungsschritt wurden v.a. Eisenoxihydroxide und Eisenkarbonate aufgelöst, was sehr viel geringere Konzentrationen an Arsen und Eisen nach sich zieht. Arsen und Eisen korrelieren nur noch dann, wenn sie ebenfalls eine hohe Korrelation mit Kalium aufweisen, was darauf hindeutet, dass alle Elemente in eine Silikatstruktur eingebunden sind.


Unerwarteterweise wurden durch die Phosphatlaugung auch Eisen, Mangan und Chrom freigesetzt, sowie Kalium durch die Eisenlaugung. Dies deutet darauf hin, dass nicht nur die eigentlichen Zielphasen in den jeweiligen Extraktionsschritten aufgelöst wurden. Ebenfalls gaben die Ergebnisse Hinweise darauf, dass es während der Extraktion zu Repräzipitationsprozessen kam.