Angewandte Geochemie

AdvectAs

Mobilisierung und Retention von Arsen an Redoxfronten bei advektivem Transport - ein integrativer, multidisziplinärer Ansatz

Weltweit gefährden erhöhte Arsenkonzentrationen im Grundwasser die Gesundheit von mehr als 100 Millionen Menschen insbesondere in den dicht besiedelten Deltaregionen Süd- und Südostasiens. Aquifere mit hohem und niedrigem As-Gehalt sind durch unterschiedliche Redoxbedingungen gekennzeichnet und durch schmale Übergangszonen voneinander getrennt. Im Mittelpunkt des Verbundprojektes AdvectAs steht die Hypothese, dass die Langzeitstabilität und somit die Kontrollfunktion Fe dominierter Redoxfronten durch ein Zusammenspiel von (a) Transportprozessen, (b) mikrobieller Aktivität und (c) der Stabilität der Arsenträgerphasen (meist Fe Minerale) bestimmt wird.

Im Teilprojekt der TU Berlin und des Karlsruher Institut für Technologie wurde die Dynamik der Fe-Mineralneubildung, die wiederum das Verhalten von As im Bereich der Redoxübergangszone steuert, untersucht. Dabei wurden zum ersten Mal verschiedene Fe-Phasen mit ihren As-Konzentrationen in hoher räumlicher Auflösung im Bereich der Redoxfronten dokumentiert. Unsere Beobachtungen deuten auf ein dynamisches System mit schwankenden Redoxverhältnissen innerhalb der schmalen Übergangszonen hin, bei dem komplexe Mineraltransformationen (Pyrit, Siderit, Magnetit, Goethit und Ferrihydrit) auftreten. Je nach Rückhaltvermögen dieser Minerale wird das Arsen bei deren Auflösung in unterschiedlichen Mengen freigesetzt und anschließend wieder in neue Mineralphasen eingebaut (Kontny et al., 2021). Diese Transformationen sind dafür verantwortlich, dass das Arsen innerhalb der Redoxübergänge zurückgehalten wird, obwohl sich das Grundwasser weiter ausbreitet. Altersbestimmungen der Grundwässer und Modellierungen unserer Verbundpartner zeigen, dass diese Fronten über Jahrzehnte orts-stabil sind.

Zusammen mit Projektpartnern von der Universität Tübingen wurden zudem Experimente durchgeführt, um die Rolle von Mikroorganismen bei den Fe-Mineraltransformationen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten abiogenen und biogenen Fe (III)-Minerale in Magnetit umgewandelt werden, während biogene, kristalline Mischphasen keiner sichtbaren Umwandlung unterzogen werden. Die in situ-Inkubation von Fe(III)-Mineralen im Grundwasser zeigt, dass biogene Minerale eher von Fe(III)-reduzierenden Mikroorganismen besiedelt werden und mehr As binden (Gladowska et al 2021a).

Publikationen

Gladowska M., Schneider M., Eiche E., Kontny A., Neumann T., Straub D., Advectas Project Members, Kleindienst S. & Kappler A. (2021a): Microbial transformation of biogenic and abiogenic Fe minerals followed by in-situ incubations in an As-contaminated vs. non-contaminated aquifer. – Environmental Pollution 281. doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117012.

Gladowska M., Schneider M., Eiche E., Kontny A., Neumann T., Straub D., Berg M., Prommer H., Bostick B.C., Nghiem A.A, Kleindienst S. & Kappler A. (2021b): Fermentation, methanotrophy and methanogenesis influence sedimentary Fe and As dynamics in As-affected aquifers in Vietnam. – Science of the Total Environment 779, doi-org/10.1016/j.scitotenv.2021.146501.

Kontny A., Schneider M., Eiche E., Stopelli E., Gladowsky M., Rath B., Göttlicher J., Byrne J.M., Berg M., Duyen V.T., Trang T.K.T., Viet V. & Neumann T. (2021): Iron mineral transformation and their impact on As (im)mobilization at redox interfaces in As-contaminated aquifers. – Geochimica et Cosmochimica Acta 296: 189-209.

Neidhard H., Rudischer S., Eiche E., Schneider M., Stopelli E., Duyen V.T., Trang P.T.K., Viet P.H., Neumann T. & Berg M. (2021): Phosphate immobilization dynamics and interaction with arsenic sorption at transition zones in floodplain aquifers: insights from the Red River Delta, Vietnam. – Journal of Hazardous Materials, doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125128.

Stopelli E., Duyen V.T., Mai T.T., Trang P.T.K., Viet P.H., Lightfood A., Kipfer R., Schneider M., Eiche E., Kontny A., Neumann T., Glodowska M., Patzner M., Kappler A., Kleindienst S., Rathi B., Cirpka O., Bostick B., Prommer H., Winkel L.H.E. & Berg M. (2020): Spatial and temporal evolution of groundwater arsenic contamination in the Red River delta, Vietnam: Interplay of mobilisation and retardation processes. – Science of the Total Environment 717: 137143.

Projektträger:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektleitung:

Prof. Dr. Thomas Neumann

Projektbearbeiter:

MSc. Magnus Schneider