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Tracing mercury transformations in soil using mercury stable isotope analysis

Flora Maria Brocza

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Erdwissenschaften

Betreuer*in

Jan Georg Wiederhold

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DOI

10.25365/thesis.47125

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-16463.95463.240653-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Um das Verhalten von Quecksilber (Hg) in der Umwelt zu verstehen, ist es unumgänglich, seine Speziierung zu kennen, da sich die verschiedenen Spezies stark in ihrer Bioverfügbarkeit und Toxizität unterscheiden. Diese Prozesse in einem natürlichen System zu verstehen, ist oft eine Herausforderung. Da viele der biogeochemischen Prozesse, die in der Umwelt relevant sind, die stabilen Hg-Isotopen charakteristisch fraktionieren, sind Isotopenmessungen an verschiedenen Hg-Pools in einem System eine vielversprechende Möglichkeit, um die Umwandlungsprozesse, die stattgefunden haben, zu verstehen. Fraktionierungsfaktoren von Hg-Umwandlungsreaktionen wurden hauptsächlich durch Laborexperimente bestimmt - bis jetzt wurde das Konzept des „Process Tracing“ durch Isotopenmessungen noch nicht erfolgreich auf Feldsysteme angewandt. Diese Verknüpfung war das Ziel dieser Arbeit. An einem durch HgCl2 kontaminierten Standort in Bad Krozingen, Deutschland wurden zwei Rammkernsonden gezogen. Bohrkern K2 stammt aus der am stärksten kontaminierten Zone, wo die HgCl2-Lösung direkt in den Boden eingetragen wurde. K3 war sekundär durch Umlagerung des Erdreichs aufgrund von Bauarbeiten Hg-verseucht. Beide Bohrkerne wurden hinsichtlich ihres Gesamt-Hg-Gehalts analysiert und mithilfe von pyrolytischer Thermodesorption (PTD) charakterisiert. Die am stärksten kontaminierten Proben wurden nach einem optimierten sequentiellen Extraktionsprotokoll (SEP). Hg-Isotope wurden an den Komplettaufschlüssen und den sequentiellen Extrakten gemessen. Die Ergebnisse von PTD und Gesamtaufschlüssen ergaben sowohl Unterschiede der Bindungsformen von Hg zwischen den beiden Bohrkernen, als auch zwischen den verschiedenen Tiefen. Nur die höchstkontaminierten Proben in K2 (bis zu 802 mg/kg) enthielten Hg(0), und nur die am meisten kontaminierten Proben in K3 (bis zu 100 mg/kg) wiesen Spuren von HgS auf. In beiden Bohrkernen war der Großteil des Hg als Hg(II) an die Matrix gebunden und nicht näher durch PTD bestimmbar. Über Isotopenmessungen an den extrahierten Pools und Gesamtaufschlüssen konnten nicht nur zwischen Proben und Bohrkernen, sondern auch zwischen den extrahierten Fraktionen Unterschiede festgestellt werden. Die Quellensignatur, die auf Basis einer Literaturrecherche bei -0.45 +/- 0.31 ‰ δ202Hg (2 SD, n=8) angenommen wurde, wurde als Referenz für die gemessenen Werte herangezogen. Während die meistkontaminierten Proben im Kern K2 mit diesem Wert überlappten, zeigten alle Proben aus K3 signifikant schwerere δ202Hg-Werte. Das am stärksten gebundene Hg war in allen Fällen der isotopisch leichteste Pool, das mit 0.5 HNO3 extrahierte Hg in den meisten Fällen schwer relativ zu Gesamtprobe und relativ zur vermuteten Quellensignatur. Der wasserextrahierbare Pool zeigte sich variabel. Der vorliegende Datensatz demonstriert, dass biogeochemische Prozesse an einem kontaminierten Standort signifikante Hg-Isotopenfraktionierung herbeiführen können. Die beobachtete Fraktionierung stimmt mit Literaturwerten über abiotische Reduktion von Hg und verschiedenen Sorptionsprozessen überein. Die Quantifizierung der verschiedenen Einflüsse auf die Fraktionierung bleibt allerdings der Gegenstand von zukünftigen Untersuchungen.

Abstract

(Englisch)

Understanding the speciation of mercury (Hg) in the environment is key to understanding its risk, since mercury species differ drastically in their bioavailability and toxicity. Biogeochemical reactions of Hg have been found to induce Hg stable isotope fractionation between the product and the reactant. Studying stable isotope signatures of different mercury pools thus provides an opportunity to trace the transformations of the contaminant in the soil. While this has been observed both in the field and in the laboratory, few studies have applied these findings to study transformation processes in contaminated field sites, which was the aim of this thesis. Two soil cores from a HgCl2 contaminated field site in Bad Krozingen, Germany were collected: Core K2 from the source of the contamination and core K3 from the border of the facility, where the contamination is only secondary, from the movement of soil during construction of residential buildings blocks. Both cores were analyzed for their total mercury content and pyrolytic thermo-desorption (PTD) was conducted to characterize its speciation. The highest-contaminated samples were extracted according to a sequential extraction protocol (SEP). Hg stable isotopes were measured on the extracts. The combination of PTD and SEP revealed differences in speciation between the two cores and between different soil depths. Only the most contaminated samples in K2 (up to 802 mg/kg) contained Hg(0), and only the most contaminated samples in K3 (up to 100 mg/kg) contained evidence for HgS. The majority of mercury in both cores was Hg(II), whose exact binding forms could not be determined with the used methods. However, via stable isotope analysis, significant differences in the isotopic signatures of the cores, different depths and different extracted pools could be determined. Assuming the contamination source signature to lie within the average literature value for industrial Hg(0) of -0.45 +/- 0.31 ‰ δ202Hg (2 SD, n=8), the pools of refractory mercury in the most contaminated soil samples in core K2 were within that value, whereas all values in core K3 were significantly heavier, hinting at a more strongly altered mercury pool. Within the most contaminated samples, refractory, tightly bound Hg displayed the lightest signatures, whereas the more labile, 0.5 M HNO3-extractable Hg was significantly heavier. Water-extractable Hg varied widely in its Hg isotopic composition. This field study demonstrated successfully that biogeochemical transformations induce significant fractionation of Hg stable isotopes, even in a site with only a single source of contamination. The fractionation observed fit well with literature reporting fractionation factors via laboratory experiments, but quantification of the processes remains a project for further study.

Autor*innen

Flora Maria Brocza

Haupttitel (Englisch)

Tracing mercury transformations in soil using mercury stable isotope analysis

Paralleltitel (Deutsch)

Nachverfolgung von Quecksilbertransformationen im Boden durch Analyse von stabilen Quecksilberisotopen

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

viii, 100 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Jan Georg Wiederhold

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie ,

38 Geowissenschaften > 38.95 Umweltgeologie, Geoökologie

AC Nummer

AC14506771

Utheses ID

41705

Studienkennzahl

UA | 066 | 815 | |

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Schlagwörter