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Studies on the Radical Generation and Dissolution Mechanisms of Chrysotile Asbestos
from the laboratory to the environment
Martin Walter
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Environmental Sciences)
Betreuer*in
Stephan Krämer
Mitbetreuer*in
Walter Schenkeveld
DOI
10.25365/thesis.56147
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22748.43148.101359-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Chrysotil-Asbest ist ein giftiges und krebserregendes Mineral, welches im zwanzigsten Jahrhundert in hoher Quantität für industrielle und technische Anwendungen verwendet wurde. Die gesundheitlichen Folgen von Asbestexposition gehen zum Teil auf die hohe Redox-Reaktivität von strukturellem Fe in Asbest zurück: Fe2+ und Fe3+ substituieren Mg in oktaedrischen Mg-Schichten, während Fe3+ Si in tetraedrischen Si-Schichten substituiert (Fe[4]). Oberflächenexponiertes Fe katalysiert dabei den Zerfall von H2O2 zu hochreaktiven Hyroxylradikalen (HO●) in Haber-Weiss Reaktionen. Neben der überwiegenden Exposition von Asbestfasern am Arbeitsplatz gelangten auch hohe Mengen von Asbestfasern und -abfällen in die Umwelt, wo sie ein Gesundheitsrisiko für Anrainer darstellen. Einige Mechanismen bezüglich der Faserlöslichkeit und der Produktion von HO●-Radikalen sind nicht ausreichend erforscht, besonders in Betracht von Asbestkontaminationen in der Umwelt. Die vorliegende Doktorarbeit nahm sich deshalb zum Ziel, diese zwei Aspekte in größerem Detail zu studieren. Dabei wurden Experimente mit simplifizierten Versuchsaufbau sowie komplexere Bodensuspensionen- und Bodenmikrokosmos-Experimente durchgeführt. Fe[4] spielte eine außerordentliche Rolle in der Löslichkeit von Fasern und der HO●-Produktion: Die protonen- und ligandengestützte Lösung von Fe[4] initiierte eine Labilisierung der Si-Schichten der Fasern und erhöhte dabei die Löslichkeit von Si und Mg. Ferner war Fe[4] die einzige katalytisch-aktive Fe-Spezies in der Produktion von HO●-Radikalen auf der Faseroberfläche, indem es in den Si-Schichten der Fasern redoxzyklierte. Die Faserlöslichkeitsraten nahmen mit niedrigeren pH-Werten zu und waren mehr als eine Größenordnung niedriger in sauren Böden als wie in simplifizierten Löslichkeitsexperimenten. Weiters waren die Löslichkeitsraten in leicht-sauren und kalkigen Böden unter der Quantifizierungsgrenze. Zement inhibierte die Löslichkeit von Fasern in Böden, während Pflanzen durch pflanzliche Liganden die Faseroberflächen von Metallen abreicherten. Die HO●-Produktion von Fasern in Böden nahm generell um 75% ab, eine höhere Abnahme wurde jedoch nicht gemessen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind von großer Bedeutung für WissenschaftlerInnen und RisikobewerterInnen, welche sich mit der Gesundheitsgefährdung von Asbestfasern und Asbestkontaminationen in der Umwelt beschäftigen.
Abstract
(Englisch)
Chrysotile asbestos is a toxic and carcinogenic mineral that has abundantly been used for technical and consumer applications throughout the 20th century. The adverse health effects of chrysotile are partly caused by the redox-reactivity of Fe in the asbestos structure: Fe2+ and Fe3+ are substituted into the fibers’ Mg-octahedra, whereas Fe3+ substitutes Si-tetrahedra (Fe[4]). Fe on fiber surfaces interacts with H₂O₂ and generates hydroxyl radicals (HO●) in Haber-Weiss reactions, which damage biomolecules. Apart from the prevailing exposure to chrysotile on the workplace, asbestos and asbestos containing wastes were abundantly released or deposited into the environment and hence pose a health risk for residents. Some mechanisms in fiber dissolution and HO● generation are still not sufficiently investigated so far, especially in the context of environmental asbestos pollution. Hence, the research of this thesis aimed to profoundly investigate the radical generation and dissolution mechanisms of chrysotile in simplified batch-dissolution and complex soil-suspension and soil-microcosm experiments. Fe[4] played a pivotal role in both processes: Its proton or ligand promoted dissolution labilized Si layers of chrysotile and thereby increased Si and Mg dissolution rates. Furthermore, it was the only Fe species on chrysotile surfaces that catalyzed the generation of HO● in Haber-Weiss reactions by fully redox-cycling inside the fibers’ Si layers. Dissolution rates were indirectly related to pH and an order of magnitude lower in an acidic soil than in batch-dissolution experiments of the same pH, and below quantification in mildly acidic and calcareous soils. Cement near fibers in soils inhibited fiber-dissolution because of its alkalinity, whereas plants depleted fiber surfaces from metals, potentially via plant-borne ligands. HO● generation by fibers in soils generally decreased by ≈75%, but not further. The results of this thesis are important for investigators and risk assessors dealing with the adverse health properties of asbestos and environmental asbestos pollution.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Asbestos Chrysotile Radicals Dissolution Weathering Environment Soils
Schlagwörter
(Deutsch)
Asbest Chrysotil Radikale Löslichkeit Verwitterung Umwelt Böden
Autor*innen
Martin Walter
Haupttitel (Englisch)
Studies on the Radical Generation and Dissolution Mechanisms of Chrysotile Asbestos
Hauptuntertitel (Englisch)
from the laboratory to the environment
Paralleltitel (Deutsch)
Studien zur Radikalbildung und Löslichkeitsmechanismen von Chrysotil Asbest - Vom Labor zur Umwelt
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
295 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Brenda Casper ,
Stefano Cesco
AC Nummer
AC15407063
Utheses ID
49595
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 299 |