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Entwicklung und Einsatz von Passivsammlern als Probenahmeverfahren zur Bestimmung von Metallen in marinen Gewässern

Petersen, Jördis Karin - Universität Hamburg (2015)


Die Überwachung von Metallgehalten im Wasser erfolgt traditionell mit punktuellen Schöpfproben. Diese Probenahmemethode führt zu Problemen, wenn sehr geringe Analytkonzentrationen vorliegen und erfasst werden sollen oder wenn eine zeitlich-gemittelte Durchschnittskonzentration gefragt ist. Der Einsatz von Passivsammler als alternative Probenahmemethode stellt eine interessante Ergänzung der herkömmlichen Wasserprobenahme dar. Passivsammler geben ein repräsentatives Bild vom Gewässerstatus, da sie über längere Zeit (Wochen, Monate) im Gewässer verweilen und sich somit eine Durchschnittskonzentration der Analyten über den Expositionszeitraum ermitteln lässt. Der Passivsammler nutzt für die Akkumulation der Analyten einen Diffusionsgradienten, der nur die frei gelöste Fraktion der Metalle passieren lässt, die im Hinblick auf die Beurteilung des ökologischen Zustands des Gewässers von großer Bedeutung ist.

Für die Analyse von Metallen mit Passivsammlern werden primär der Chemcatcher® und der diffusive gradients in thin films (DGT) verwendet. Um den Chemcatcher® und den DGT als ergänzende Probenahmemethode einsetzen zu können, fehlen aktuell die notwendigen Kalibrierdaten für eine Vielzahl von Metallen, die mit diesen Passivsammlertypen erfasst werden können, da entsprechende Daten bisher nur für eine minimale Anzahl von Elementen (Hg, Ni, Pb, Zn, Cd, Cu) publiziert wurde. Ferner führt die momentane Methodik der Feldausbringung von Passivsammler noch zu erheblichen Problemen bezüglich der Präzision der Ergebnisse, da durch die hohe Variabilität der hydrodynamischen Einflüsse im Feld sowie oftmals auftretenden starken biologischen Bewuchs auf dem Sammler die Diffusion der Metalle entscheidend beeinflusst wird.

Um die Aufnahmeraten für ein breites Spektrum von Elementen mit dem Chemcatcher® und DGT näher zu charakterisieren, wurde in dieser Arbeit ein Tankexpositionssystem aus Titan entworfen und von der hauseigenen Werkstadt angefertigt. Dieses System wurde genutzt, um den Einfluss der Parameter Temperatur, Fließgeschwindigkeit und Salzgehaltes auf die passive Diffusion der Metalle in die Passivsammler zu untersuchen und elementspezifische Sammelraten zu bestimmen. Somit konnten erstmals Aufnahmeraten für die Seltenen Erden, Sc, Ti, Mn, Co, Ga, Y, Ba, Sr, Mo, sowie U unter Anwendung des Chemcatchers® bestimmt werden.

Die Ausbringung von Passivsammlern im Freiland erfolgt meist in speziellen Ausbringungshalterungen. Beim Einsatz dieser Halterungen sind die Passivsammler direkt den hydrodynamischen Bedingungen ausgesetzt, die in Übergangs- und Küstengewässern sehr hohen Schwankungen unterliegen. Die Angabe einer zeitlich-gemittelten Durchschnittskonzentration, unter Anwendung einer unter Laborbedingungen ermittelten Sammelrate kann unter diesen Umständen allenfalls als grobe Abschätzung dienen.

Für die Verbesserung der Passivsammlerergebnisse im Feld wurde ein neuartiges Probenausbringungssystem für Passivsammler entwickelt. Die sogenannte Durchflussbox wurde unter der Patentnummer 1553 als Patent beim Europäischen Patentamt eingereicht. Der Vorteil dieses Systems beruht auf der Integration eines Rührwerkes in einer Durchflusszelle mit Passivsammlerhalterungen. Das Rührwerk kann manuell auf eine Rührgeschwindigkeit eingestellt werden, die im optimalen Fall derselben Rührgeschwindigkeit entspricht, die auch in der Laborkalibrierung verwendet wurde. Da das System an jedes externes Pumpensystem angeschlossen werden kann, wird so auch der mobile Einsatz von Passivsammlern z.B. auf Forschungsschiffen möglich. Die Anwendbarkeit der entwickelten Durchflussbox wurde während einer Forschungsausfahrt auf dem Forschungsschiff Heincke, getestet. Unter Verwendung des Chemcatcher® konnten so erstmals zeitlich-gemittelte Durchschnittskonzentrationen der Seltenen Erden in der Deutschen Bucht detektiert werden.

Ergänzend wurde das Durchflusssystem im Bereich der "Seebäderbrücke" Cuxhaven an einer stationären FerryBox betrieben. Zusätzlich zu den Passivsammlern in der Durchflussbox wurden Chemcatcher® zeitgleich an "normalen" Ausbringungshalterungen befestigt und exponiert. Der Vergleich der verschiedenen Ausbringungsmethoden zeigte deutlich die Minimierung der Unsicherheit der Passivsammlerergebnisse bei Anwendung der Durchflussbox.

In dieser Arbeit konnte erstmalig die Anwendbarkeit des Chemcatcher® für die Anreicherung eines breiten Spektrums an Metallen demonstriert und so nachdrücklich ihr Potenzial als ergänzende Probenahmemethode für die Überwachung von Schwermetallen im Wasser nachgewiesen werden.


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