Was Wir Machen

Einige unserer derzeitigen Forschungsbereiche beinhalten folgende Untersuchungen grundlegender geochemischer Prozesse

  • Geschwindigkeit und Mechanismus der chemischen Verwitterung gesteinsbildender Mineralien, einschließlich Reaktionsstudien an der Gestein/Wasser Grenzfläche
  • Chemische und isotopische Entwicklung von aus der Gesteinsverwitterung stammenden Aerosolen und deren Veränderung mit dem holozänen Klimawandel
  • Geochemische Studien an Seesedimenten und Torfarchiven, einschließlich chemischer Verwitterung und Frühdiagnese
  • Physikalische und chemische Prozesse an der Gestein/Wasser Grenzfläche, wie z.B. Adsorption, Desorption und Redoxumwandlung
  • Chemische und isotopische Entwicklung von natürlichen Gewässern, inklusive Streukammer-Studien von früh-diagnetischen Reaktionen in Sedimenten
  • Umwandlung von Elementenspezies im Boden, in Sedimenten und in natürlichen Gewässern
  • Intensität und Geschwindigkeit der Humifizierung natürlicher organischer Substanz
  • Natürliche Halogenisierung und Dehalogenisierung organischer Moleküle
  • Entwicklung von Geräte kombinierenden Techniken (HPLC-AAS, HPLC-ICP-AES, GS-MS) und pryrolytischen Methoden zur Analyse verschiedener Elementspezies


Diese Grundlagenforschung ist die Basis einer Vielzahl aktueller Fragestellungen, wie z.B.

  • Anreicherung von Spurenelementen in Aerosolen und ihr weiterer Verbleib in Böden und Sedimenten
  • Nachweis der oben genannten Prozesse anhand von Pb-Isotopen
  • Spurenelemente und radioaktive Isotope (Sr, Pb) als Tracer des holozänen Klimawandels
  • Boden- und Gewässerversauerung vom molekularen Maßstab bis hin zum Makro-Bereich
  • Umwandlung von anorganischen und organischen Spuren-Schadstoffen in Böden, Sedimenten und im Wasser
  • Experimentelle und in-Situ Studien des Verbleibs und der Festlegung von Schadstoffen
  • Kinetik der Sorptions- und Desorptions-Reaktionen im gesättigten und ungesättigten Milieu; Einfluß von pH und Redoxpotential auf Nährstoffe, Spurenmetalle und organische Schadstoffe
  • Modellierung des Verhaltens und des Werdegangs anorganischer und organischer Verunreinigungen im Oberflächen-, Grund- und Abwasser

Unsere Forschungsziele können oft nur durch einen multidisziplinären Ansatz zufriedenstellend erreicht werden.

 

Umwelt-Geochemie - was ist das?

Schon wenn man atmet, Wasser trinkt oder Nahrung zu sich nimmt, hat man Erfahrung mit dem umweltgeochemischen Kreislauf von fast jedem, in der Natur vorkommenden chemischen Element gemacht. Die Umwelt-Geochemie ist der Zweig der Geochemie, der danach strebt, den natürlichen Kreislauf der Elemente an der Erdoberfläche und die Auswirkungen menschlichen Handelns auf diesen, zu quantifizieren. Wenn Sie diese Seite auf ihrem Monitor lesen, dann denken Sie daran, daß Ihr Computer allein schon 30 chemische Elemente enthält, darunter Kupfer, Arsen und Blei.


Die Umwelt-Geochemie ist ein relativ junger Zweig der Geochemie. Sie hat das Ziel, den natürlichen Kreislauf der Elemente auf der Erde zu erklären. Das Wort "Umwelt", wie es hier benutzt wird, verweist auf die Biosphäre, welche durch "Vernadsky" als die Region auf der Erde definiert wird, auf der es Leben gibt. Die Umwelt-Geochemie beinhaltet deshalb all jene Prozesse, die direkten oder indirekten Einfluß auf Lebewesen (sowohl Pflanzen also auch Tiere und Menschen) ausüben. Die Umwelt-Geochmie ist heutzutage sehr verfahrensorientiert und beinhaltet nicht nur die Quelle und Ablagerung der Elemente sondern auch die Verteilung und den Transport chemischer Elemente und Substanzen (z.B. xenobiotische organische Chemikalien) in der Atmosphäre, Pedosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre (von Mikroorganismen über Pflanzen und Tiere bis hin zum Menschen).


Beim Atmen von Luft inhaliert man atembare organische und anorganische Aerosole sowie Gase natürlichen und anthropogenen Ursprungs. Die Aerosole anthropogenen Ursprungs (wie Autoabgase und das Verbrennen fossiler Brennstoffe) können im Durchmesser kleiner als 1 Mikron (0,001mm) sein und dadurch tief in das Atmungssystem eindringen. Diese Partikel sind von solch großer Bedeutung, weil sie stark mit potentiell toxischen Schwermetallen, wie Blei und organischen Molekülen, z.B. polyzyklischen Kohlenwasserstoffen (PAHs), angereichert sein können. Natürliche anorganische Partikel sind im Allgemeinen größer. Es handelt sich hier um weniger lösliches mineralisches Material, wie etwa Lehm, der aus vom Wind aufgeblasenen Bodenstaub stammt. PAHs können auch einen natürlichen Ursprung, wie etwa Waldbrände, haben. Sogar halogenierte organische Substanzen werden über Redoxreaktionen im Boden und in Sedimenten natürlich produziert. Der Versuch, zwischen natürlichen und anthropogenen Quellen von Metallen und organischen Verbindungen zu unterscheiden, ist eine unserer größten Herausforderungen.


Gleiches gilt für das Wasser, das Sie trinken. Es enthält eine Vielzahl an Anionen und Kationen natürlichen Ursprungs, die physikalische und chemische Verwitterung von Mineralien in Gesteinen, im Boden und in Sedimenten entstehen. Bikarbonat ist das wichtigste Anion in natürlichen Gewässern. Letztendlich aus atmosphärischem Kohlendioxid entstanden, stellt es einen quantitativen Index der Menge an Mineralauflösung dar, die in einem natürlichen Gewässersystem stattgefunden hat. Heutzutage werden jedoch mehr und mehr Gewässer mit Verunreinigungen, wie Nitrat aus landwirtschaftlichen Düngemitteln, tierischem Dung und Schädlingsbekämpfungsmitteln, angereichert. Mineralverwitterungsreaktionen, die auf der Erdoberfläche stattfinden, puffern den pH von natürlichen Gewässern und dieser pH-Wert der Gewässer kontrolliert die Löslichkeit und damit die biologische Verfügbarkeit der seltenen Metalle. Die Verwitterung der Primärmineralien verbraucht Wasserstoffionen und Kohlendioxid und bringt lösliche Salze hervor. Dieser Prozeß reguliert den pH-Wert und die chemische Zusammensetzung von natürlichen Gewässern. Das Hinzufügen von starken Säuren (aus Saurem Regen, entstanden durch anthropogene atmosphärische Emissionen von Schwelfel- und Stickoxiden) kann jedoch den pH-Wert senken und damit die Konzentration einer Vielzahl von seltenen Metallen erhöhen und sie somit zahlreichen Organismen verfügbar machen. Aluminium ist in schlecht gepufferten Wasserräumen von Kristallingestein von besonderer Bedeutung, weil hier ein kleines Absinken des pH-Wertes nicht nur die Löslichkeit von Aluminium erhöht sondern auch die Bildung von potentiell toxischen anorganischen, monomeren Spezies fördert.


Die Pflanzen, die wir essen, enthalten ein breites Spektrum an Metallen (z.B. Cu, Zn), die für alles lebenden Organismen essentiell sind und von den Pflanzen über die Wurzeln aus dem Boden aufgenommen werden. Diese Pflanzen können jedoch mit Schwermetallen verseucht sein, entweder durch den direkten atmosphärischen Eintrag (verschmutzte Luftmassen) oder durch die Aufnahme aus verseuchten Böden. In diesem Zusammenhang ist Cadmium von besonderer Bedeutung, da es biologisch keine Rolle spielt und in der Natur nur ein geringes Vorkommen hat. In Phosphatdüngemitteln und im Klärschlamm ist Cadmium jedoch angereichert und es wird proportional zur Konzentration in den jeweiligen Böden von den Pflanzen aufgenommen. Auch ein breites Spektrum von organischen Verunreinigungen ist heute in unserer Umwelt ubiquitär, und ihre Wirkung auf lebende Organismen ist von größter Bedeutung für die Gesundheit des Menschen und der Ökosysteme.


Die anthropogenen Veränderungen der natürlichen geochemischen Kreisläufe vieler Elemente haben eine sehr lange Geschichte und sie sind in einem Spektrum geologischer Archive, wie Eiskernen aus der polaren und alpinen Region, Torfmooren sowie marinen und limnischen Sedimenten, erhalten. Präzise Analysen dieser Archive mit hochentwickelten analytischen Geräten zur isotopischen, elementaren und molekularen Bestimmung, verbunden mit "state of the art" Techniken zur Altersbestimmung, können sehr detaillierte, hochauflösende Rekonstruktionen der natürlichen sowie der anthropogenen Umweltveränderungen liefern.


Das Gleichgewicht der chemischen Thermodynamik kann dazu verwendet werden, die Richtung einer chemischen Reaktion vorauszusagen. Speziell die Gibb'sche Freie Enthalpieänderung einer Reaktion und die Gleichgewichtskonstante Keq, die daraus resultiert, zeigen an, ob eine Reaktion spontan nach links oder rechts verläuft, geben uns aber keine Auskunft über die Geschwindigkeit der Reaktion. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, bspw. zwischen Mineralpartikeln und wässrigen Lösungen, wird nicht nur durch die strukturellen Eigenschaften der Mineralienoberfläche, wie Stufen und Defekte im Kristallgitter, geregelt sondern auch durch Absorptions- und Desorptionsreaktionen an der Gestein/Wasser Grenzfläche. Dabei ist die Oberflächenkonzentration von Protonen und Liganden wichtig sowie die Größe und molekulare Struktur der Liganden. Redoxreaktionen laufen notorisch langsam ab, z.B. mit C, N, S, Fe, Mn. Diese Reaktionen werden jedoch häufig durch Mikroorganismen oder Enzyme katalysiert. Folglich muß bei umweltgeochemischen Studien mehrerer Elemente auch auf die relevanten biologischen Prozesse geachtet werden. Um Dispersionsprozesse zu verstehen, ist zusätzlich zur chemischen und biologischen Verarbeitung von Substanzen, auch der physikalische Transport (Diffusion und Advektion) wichtig.

 

Geschichte Des Institutes

Das Institut für Umwelt-Geochemie wurde 1993 von Herrn Prof. German Müller aus dem vormaligen Institut für Sedimentforschung gegründet. Seine Pionierarbeiten zur Geochemie und Mineralogie der Fluß- und Seesedimente brachten schon früh ans Tageslicht, daß die Anreicherung von Spurenelementen in den obersten, neueren Sedimentschichten nicht anhand natürlicher Ursachen erklärt werden kann, sondern vielmehr auf eine Verschmutzung zurückgeführt werden muß. Auf dem Gebiet des Ausmaßes und der Quelle einer globalen Metall-Verschmutzung gehörte Herr Prof. Müller bald zu den welt-führenden Wissenschaftlern. Seine mehr als 300 Veröffentlichungen in Zeitschriften, zusammen mit 8 Büchern und 10 Veröffentlichungen in "Science" und "Nature", zeugen von einer überaus produktiven wissenschaftlichen Karriere. Herr Prof. Müller erhielt zudem mehrere Ehrendoktor-Titel und es wurde ihm eine Vielzahl von Preisen verliehen.

Nach seinen bahnbrechenden Untersuchungen auf dem Gebiet der natürlichen Entstehung von halogenierten organischen Molekülen, setzte sich Herr Prof. Müller für die Einrichtung einer Professur für Organische Geochemie ein, die von Herrn Prof. Heinz-Friedrich Schöler übernommen wurde. Kurz danach folgte die Einrichtung einer Professur für Hydrogeochemie, die von Frau Prof. Margot Isenbeck-Schröter eingenommen wird.

Seit 1995 ist Herr Prof. Müller Emeritus und das Institut wird seit 2000 von Herrn Prof. William Shotyk geführt. Herr Prof. Müller ist weiter aktiv in der Forschung tätig mit anstehenden Großprojekten in Russland und Palästina, sowie in China und Brasilien. Seine besondere Aufmerksamkeit gilt nun der Umweltgeochmie von Silber.

 

Seitenbearbeiter: Fritz Tempelmeier