Experimentelle Bestimmung der Verteilungskoeffizienten (Kd) ausgewählter Schwermetalle an Schwebstoffen der Tideelbe

Abstract

Schwermetalle in Flusssystemen kommen sowohl in gelöster Form in der Wassersäule als auch in der Feststoffphase an Partikel wie Schwebstoff oder Sediment gebunden vor. Die Verteilung zwischen gelöster und partikulär gebundener Form lässt sich über den Verteilungskoeffizienten (Kd) beschreiben. Eine Einschätzung über ein potenzielles Mobilisierungsverhalten von Schadstoffen aus dem aufgewirbelten Sediment und Schwebstoffen der Tideelbe ist sinnvoll, um möglichen Umweltauswirkungen auf das Ökosystem der Elbe und die stromabwärts liegende Meeresumwelt beurteilen zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, die Verteilungskoeffizienten von Kupfer, Zink und Cadmium für Proben aus der Tideelbe experimentell zu bestimmen und Einflussfaktoren zu identifizieren, die das Mobilitätsverhalten von Schwermetallen beeinflussen, indem Versuchsparameter wie die Salinität, die Temperatur sowie die Herkunft und Konzentration des Schwebstoffs variiert werden. Dafür wurde ein Mischungsversuch konzipiert, in dem Elbe- und Nordseewasserproben sowie Schwebstoffproben aus dem Bereich der Tideelbe verwendet wurden. Für das Experiment wurde ein fünfstufiger Salinitätsgradient (<1 bis 31,7 PSU) aus Elbe- und Nordseewasserproben erzeugt. Im Anschluss wurde Schwebstoff unterschiedlicher Herkunft und Konzentration den Wasserproben beigemischt. Danach wurden die Proben für fünf Tage bei 8 °C bzw. 18 °C im Temperaturschrank inkubiert und anschließend durch Filtration die Schwebstoffe von der Wasserphase getrennt. Die Analytkonzentration im Filtrat sowie die Massenanteile im Schwebstoff wurde mittels Tandemmassenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma analysiert. Der Verteilungskoeffizienten wurde aus den gewonnenen Messdaten berechnet. Die Ergebnisse des Laborexperiments zeigten, dass die Herkunft des Schwebstoffs und damit seine Zusammensetzung unter den variierten Versuchsparametern den entscheidenden Einfluss auf das Mobilitätsverhalten aller betrachteter Analyten hat. Außerdem konnten stark absinkende Verteilungskoeffizienten für Cadmium mit steigender Salinität beobachtet werden. Bei Zink waren zunächst sinkende Verteilungskoeffizienten mit zunehmender Salinität zu verzeichnen, bis nach Erreichen des Tiefstwerts die Kd -Werte sprunghaft anstiegen. Für Kupfer war kein eindeutiger Trend in den Werten des Verteilungskoeffizienten mit steigender Salinität zu erkennen. Zudem konnte kein klarer Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Mobilisierungsverhalten der Analyten abgeleitet werden. In Bezug auf die Schwebstoffkonzentration wurden die höchsten Verteilungskoeffizienten bei der geringsten eingesetzten Schwebstoffkonzentration beobachtet.

Heavy metals in river systems occur both in dissolved form in the water column and in the solid phase, bound to particles such as suspended matter or sediment. The distribution between dissolved and particulate forms can be described using the distribution coefficient (Kd). An assessment of the potential mobilization behavior of pollutants from resuspended sediment and suspended matter in the tidal Elbe is useful for evaluating possible environmental impacts on the Elbe ecosystem and the downstream marine environment. The aim of this study is to experimentally determine the distribution coefficients of cadmium, zinc, and copper for samples from the tidal Elbe and to identify factors influencing the mobility of heavy metals in river systems by varying experimental parameters such as salinity, temperature, and the origin and concentration of suspended particulate matter. To investigate the influencing factors on the mobility of heavy metals under laboratory conditions, a mixing experiment was designed using water samples from the Elbe and the North Sea, as well as suspended matter from different locations at the tidal Elbe. For the experiment, a five-step salinity gradient (<1 to 31.7 PSU) was created by mixing the Elbe and North Sea water samples. Subsequently, suspended matter of varying concentrations and origins was added to the water samples. The samples were incubated for five days at 8 °C or 18 °C respectively in a temperature-controlled chamber. Afterwards the suspended matter was separated from the aqueous phase by filtration. The concentration of the analyte in the filtrate and the mass fractions in the suspended matter was analyzed using tandem mass spectrometry with inductively coupled plasma. The distribution coefficient was calculated from the obtained measurement data. The results of the laboratory experiment showed that, among the varied experimental parameters, the origin and therefore the composition of the suspended particulate matter has a decisive influence on the mobility behavior of all analytes. A sharp decrease in distribution coefficients for cadmium was noted with increasing salinity. This indicates a remobilization of cadmium from its particulate phase into solution. For zinc, a decreasing trend in the distribution coefficients was initially observed with increasing salinity, until rising values were noticed after the lowest value was reached. For copper, no clear trend in the distribution coefficient values was observed with increasing salinity. Furthermore, no clear correlation between temperature and the mobilization behavior of the analytes could be established. Regarding suspended particulate matter concentration, the highest distribution coefficients were observed at the lowest concentration.