Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.
Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa
Geothermalwässer sind eine der wichtigsten Quellen im geochemischen Arsen-Kreislauf. Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Arsenit und Arsenat, die sich nach dem Austritt aus Geothermalquellen weit ausbreiten und z.B. die Qualität von Trinkwasser-Aquiferen negativ beeinflussen können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass nicht Arsenit und Arsenat, sondern Thioarsenate (AsVSnO4-n3-; n = 1 - 4), die sich aus Arsenit und reduziertem Schwefel bilden, die häufigsten Arsenspezies an Geothermalquellen sind. Allerdings ist deren Ausbreitung durch Reaktivität gegenüber Sauerstoff begrenzt. Für das vorliegende Projekt postulieren wir, dass Methylierung ein viel häufigerer Prozess an Geothermalquellen ist als bisher angenommen und dass methylthiolierte Arsenate signifikanten Anteil am Gesamtarsengehalt haben, v.a. bei leicht saurem pH und hohen Gehalten an Sulfid und gelöstem organischem Kohlenstoff. Wir postulieren weiter, dass methylthiolierte Arsenate im Vergleich zu anorganischen Thioarsenaten geringere abiotische und mikrobielle Umwandlungen zeigen und im Vergleich zu Arsenit und Arsenat geringere und langsamere Sorption an Eisenminerale und organische Substanz. All dies würde zu einem potentiell hohen Austrag aus Geothermalgebieten führen. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir an zwei Geothermalgebieten in China (Rehai, Yunnan und Daggyai, Tibet) Arsenspezies an den Quellen bestimmen und ihre Umwandlung entlang der natürlichen Abflusskanäle sowie in on-site Inkubationsstudien verfolgen. Wir werden dabei auch klären, welche anderen abiotischen oder biotischen Faktoren zur Arsenspeziesumwandlung beitragen. Im Labor werden wir methylthiolierte Arsenate synthetisieren und ihre Bildung und Stabilität unter verschiedenen S/As Verhältnissen, Temperaturen, pH und in Anwesenheit von Oxidationsmitteln untersuchen. Desweiteren werden wir Ausmaß und Kinetik von Sorption an häufig vorkommenden Eisenmineralen (Ferrihydrit, Goethit, Mackinawit, Pyrit) und an einer organischen Modelsubstanz untersuchen. Um natürliche Bedingungen besser abzubilden, werden wir das Sorptionspotential für methylthiolierte Arsenate auch an natürlichen Sedimenten von Geothermalquellen und ihren Abflusskanälen bestimmen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich (Deutschland), Expertin für Thioarsenchemie und -analytik, und Prof. Dr. Qinghai Guo (China), Experte für Geothermalwasserchemie, durchgeführt. Die Zusammenarbeit schliesst gemeinsam betreute Promotions- und Masterarbeiten ein, gemeinsame Geländearbeiten in China und Laborarbeiten in Deutschland, ein kickoff meeting in Deutschland sowie ein Abschlusstreffen in China. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die Bildung, den Transport und die Umwandlung von Arsenspezies in Geothermalgebieten zu entwickeln sowie das mögliche Vorkommen von methylthiolierten Arsenaten auch für andere natürliche Systeme vorhersagen zu können.
Verkarstete, zerklüftete unterirdische Aquifere sind wichtige Trinkwasserquellen. Der Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft hat jedoch zu einer Nitratinfiltration geführt. Der Konsum von nitrathaltigem Trinkwasser könnte zu gesundheitlichen Problemen führen, und die Europäische Union hat festgelegt, dass die Stickstoffkonzentration im Trinkwasser weniger als 50 mg/L betragen muss, um trinkbar zu sein. In landwirtschaftlich genutzten Regionen liegen die Nitratkonzentrationen jedoch häufig über diesem Grenzwert. So wurden beispielsweise im Einzugsgebiet der Ammer (Deutschland) Nitratkonzentrationen von bis zu 60 mg/l gemessen, während die Abflussgebiete nur 1 mg/l Nitrat enthielten. Diese Konzentrationsunterschiede lassen auf eine intensive Denitrifikation schließen. In unterirdischen oligotrophen Umgebungen können Mikroorganismen die Nitratreduktion mit der Eisen-/Schwefeloxidation koppeln. Die Bestimmung räumlicher Hot Spots, in denen Mikroben eine wichtige Rolle bei der Denitrifikation im Untergrund spielen, ist eine Herausforderung, und es ist daher nicht bekannt, ob die Denitrifikation nur in Klüften oder auch in der porösen Gesteinsmatrix stattfindet. Wir haben Gesteinskerne aus 70 m Tiefe entnommen - der gesättigten Zone der Bronnbachquelle (Deutschland). Das einzigartige Bohrloch ohne Verrohrung diente der Errichtung einer Grundwassermessstelle. Das erste Ziel dieses Projekts besteht darin, die Taxonomie und die funktionellen Fähigkeiten der denitrifizierenden Mikroorganismen zu bestimmen, die das Karbonatgestein bewohnen. Das zweite Ziel ist die Charakterisierung der mikrobiellen Besiedlung Pyrit-haltiger künstlicher und natürlicher poröser Gesteinsmatrixen und der Pyritoxidationsrate durch Laborexperimente. Für diese In-vitro-Studie werden Mikroorganismen verwendet, die zuvor aus Karbonatgestein angereichert wurden und die die Nitratreduktion mit (Eisen/Schwefel)-Oxidation verbinden. Das dritte Ziel besteht darin, die In-situ-Pyrit-Oxidationsrate in den künstlichen und natürlichen porösen Gesteinsmatrixen zu bestimmen. Dies wird durch die langfristige Inkubation von Pyrit-haltigen mikrobiellen Fallen (MTDs; mit Gesteinsmatrixen) im neu installierten Grundwasserbrunnen und durch die Überwachung der Veränderungen in der Zusammensetzung und der Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften, die die MTDs besiedeln, erreicht. Mittels der kombinierten Ergebnisse der Feld- und Laborarbeiten werden wir Folgendes ermitteln: i) die ökologischen Nischen der nitratreduzierenden Mikroorganismen im Grundwasserleiter des Einzugsgebiets der Bronnbachquelle, ii) die wichtigsten Mikroorganismen, die für den Nitratumsatz verantwortlich sind, iii) die Stoffwechseleigenschaften und Funktionen der nitratreduzierenden Mikroorganismen, iv) das Potenzial der Denitrifikanten, die poröse Gesteinsmatrix zu besiedeln, v) die Faktoren, die die Effizienz der Denitrifikation beeinflussen, und v) die Pyritoxidationsrate innerhalb der porösen Gesteinsmatrix.
Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Trinkwasser können negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Konsumenten haben und führen zu einem erhöhten Risiko für Korrosionen im Leitungsnetz. Aufgrund dessen schreibt die Trinkwasserverordnung einen Grenzwert von 240 mg/l vor. Erhöhte Konzentrationen an Sulfat im Grundwasser, die eine spezielle Aufbereitungstechnik erfordern, kommen vor allem durch den Einfluss von Tagebauaktivitäten zustande. Im ausgehobenen Kippenmaterial kommt es zur Oxidation des Pyrits, was nach der Verfüllung der Gruben zu einem Anstieg der Sulfat-, Calcium- und Schwermetallkonzentration im Grundwasser führt. In betroffenen Grundwasservorkommen in Deutschland wurden Konzentrationen von bis zu 2500 mg/l Sulfat gemessen. Die Nanofiltration ist eine mögliche Aufbereitungstechnologie, die die Grundwassernutzung in derart beeinträchtigten Standorten auch nach der Verfüllung der Gruben erlaubt. Es wird erwartet, dass die Nanofiltration im Vergleich zu den anderen in Frage kommenden Technologien Ionenaustauscher, Destillation, Elektrodialyse und Umkehrosmose vor allem bei höheren Sulfatkonzentration in der Größenordnung >1000 mg/l das wirtschaftlichste Verfahren darstellt. In dem Projekt Nanofiltration zur Sulfatabscheidung bei der Trinkwasseraufbereitung wird die Aufbereitung mittels Nanofiltration experimentell im Labor- und Pilotmaßstab untersucht. Es wird dabei schwerpunktmäßig ein Standort betrachtet, der im Einflussgebiet des Braunkohletagebaureviers Inden I liegt und derzeit Sulfatkonzentrationen von 1000-1500 mg/l in einem Trinkwasserbrunnen aufweist. Neben der Untersuchung der Nanofiltration an sich wird eine Konzentrataufbereitung mittels CaSO4-Kristallisation auf ihre Effektivität geprüft.
Arsen und Quecksilber sind zwei hochgiftige Elemente, die das Grundwasser als Trinkwasserquelle weltweit gefährden. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation haben mindestens 140 Millionen Menschen in 50 Ländern arsenverseuchtes Wasser getrunken. Während beide Elemente in Asien, Süd- und Nordamerika und Europa ausgiebig untersucht wurden, hat man sich auf dem afrikanischen Kontinent kaum damit beschäftigt. Das Nigerdelta ist das Herz der Erdölindustrie in Nigeria. Nigeria ist der größte Erdgasproduzent in Afrika, der sechstgrößte Rohölexporteur weltweit und verfügt über die zweitgrößten Ölreserven auf dem afrikanischen Kontinent. In den letzten 50 Jahren sind in der Niger-Delta-Region schätzungsweise 13 Millionen Barrel Rohöl ausgetreten. Da bekannt ist, dass sowohl As als auch Hg im Rohöl vorkommen oder bei Ölaustritten ins Grundwasser gelangen, schlagen wir die erste Studie über As und Hg in Nigerias ölproduzierender Region vor, mit dem Ziel, wichtige Informationen für eine nachhaltige und sichere Nutzung des Grundwassers zu liefern. Dies stellt eine einzigartige Gelegenheit dar, die Grundwasserkontamination im Zusammenhang mit der umfangreichen Kohlenwasserstoffproduktion zu untersuchen und die Ergebnisse auf andere Standorte mit ähnlichem Vorkommen zu extrapolieren. Das Hauptziel wird sein, die Prozesse zu verstehen, die die Quelle, den Transport und den Verbleib von As und Hg im Grundwasser kontrollieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Feld- und Laborstudien durchgeführt, um die Möglichkeit erhöhter As- und Hg-Konzentrationen im Grundwasser vorherzusagen. Außerdem werden wir Entfernungstechniken evaluieren, die einfach, aber effizient sind und im Haushaltsmaßstab eingesetzt werden können. Vier Hypothesen treiben die Studie an:1. Die Einleitung von Abwässern aus der Öl- und Gasproduktion in den Grundwasserleiter erhöht potenziell die Konzentration von As und Hg im Grundwasser2. Ein Konzentrationsanstieg von Hg und As im Grundwasser ist möglich, wenn die Grundwasserleitermatrix geogenes Hg und As enthält.3. Mobilisierung von geogenem Hg und As aus Sulfidmineralen (z. B. Pyrit) und natürlichem organischem Material aufgrund von Oxidation durch Sauerstoff, der entweder durch natürliche oder anthropogene Prozesse in den Grundwasserleiter eingebracht wird.4. Manuelle Filter aus Messinggranulat und Eisenoxid entfernen As und Hg aus dem Grundwasser.
Die Versorgung von kritischen und energie-kritischen Elementen für die Energiewende wird zu einer immer größeren Herausforderung. Viele dieser Metalle und Halbmetalle werden hauptsächlich als Nebenprodukt gewonnen und sind somit stark von den Hauptabbauprodukten abhängig. Der beträchtliche Einfluss dieser Elemente auf den Energie- und Wirtschaftssektor der Europäischen Union macht sie strategisch bedeutend. Daher muss die Abhängigkeit von Ländern wie China reduziert werden um die Rohstoffversorgung zu sichern, da politische Spannungen den Import beeinträchtigen können, was zu Versorgungsengpässen führen kann. Folglich muss der europäische Kontinent auf Anreicherungen wirtschaftlich wichtiger Elemente neu untersucht werden.Thrakien in NE Griechenland stellt ein Beispiel für solch eine Zone mit hohen Gehalten an Metallen und Halbmetallen (z. B. Cu, Ga, Ge, Se, Mo, Sb, Te, Re, Au and Bi) dar. Die Lagerstätten treten in unterschiedlicher Krustentiefe auf, von porphyrischen Systemen in der direkten Umgebung einer Magmenkammer zu epithermaler Mineralisation bis zur Oberfläche. Regionale Unterschiede in der Mineralogie der Lagerstätten wurden beschrieben, die erzbildenden Prozesse der porphyrisch-epithermalen Systeme sind aber insbesondere im Hinblick auf die Spurenelementchemie schlecht verstanden. Die magmatischen und hydrothermalen Voraussetzungen, die zur Bildung eines solchen mineralisierten Vulkanbogens führen sind umstritten, aber essentiell um neue Anreicherungen von Spurenmetallen in der kontinentalen Kruste zu identifizieren. Die Metall- und Halbmetallzusammensetzung von plutonischen und vulkanisch/sub-vulkanischen Gesteinen wird neue Ergebnisse zu den magmatischen Prozessen in der tieferen Kruste und während des Magmenaufstiegs liefern; Bereiche wo es zur Bildung porphyrisch-epithermaler Systeme kommen kann. Dies ermöglicht es Prozesse der Magmenentgasung und Sulfidsättigung sowie Segregation, als Vorkonzentrat in der mittleren bis unteren Kruste, als einen grundlegenden Prozess für die Mineralisation in kontinentalen Vulkanbögen zu identifizieren. Pyrit oder Magnetit treten in allen wichtigen metallführenden Adern im flacheren Hydrothermalsystem auf. Hochauflösende Spurenelementanalytik an diesen Mineralen wird einen 3D-Einblick in die erzbildenden Prozesse geben, d.h. vertikal und lateral in der Kruste. Die (in situ) S Isotopie von hydrothermalem Pyrit wird zu einem besseren Verständnis der Interaktion des magmatischen und hydrothermalen Systems führen. Die kombinierte Untersuchung von magmatischen und hydrothermalen Prozessen macht diesen Antrag einzigartig und wird neue grundlegende Informationen über die Quelle, Fraktionierung und Ausfällung von S, Metallen und Halbmetallen liefern, wodurch die magmatischen und hydrothermalen Voraussetzungen für die Anreicherung von kritischen und energie-kritischen Elementen in einem mineralisierten kontinentalen Vulkansegment in Europa definiert werden können.
Dieses Forschungsprojekt untersucht die Herkunft und Entwicklung erzbildender Flüssigkeiten und Formationsmechanismen an einer der bedeutendsten Zinn-Kupfer-Zink-Blei-Lagerstätte, der Neves Corvo in Portugal, in Verbindung mit Flüssigkeits- und Schmelzeinschlüssen und numerischen Simulationen. Dies ist ein wichtiges Forschungsprojekt, das dem Verständnis und der Entwicklung von Mineralressourcen im gesamten iberischen Pyritgürtel und ähnlichen Provinzen einen erheblichen Mehrwert verleihen wird.
Das Heft Nr. 18 aus der Serie „scriptumonline - Geowissenschaftliche Arbeitsergebnisse aus Nordrhein-Westfalen“ stellt die verschiedenen Lagerstättentypen vor, die in der Ibbenbürener Karbon-Scholle zu finden sind. Dieses Gebiet stellt aufgrund seiner Geologie, Tektonik und Rohstoffe eine regionale Besonderheit - ein sogenanntes tektonisches Fenster - dar. Neben dem geologisch-tektonischen Phänomen eines eng begrenzten Karbon-/Zechstein-Vorkommens inmitten mesozoischer Gesteine ist die Vielzahl unterschiedlicher Rohstoffe bemerkenswert. Auf engstem Raum finden sich sowohl hochwertige karbonzeitliche Sand- und Tonsteine mit eingelagerter Anthrazitkohle, als auch Kalksteine, Eisensteine sowie metallische Erze des Zechsteins wie Zinkblende, Pyrit, Markasit, Kupferkies und Bleiglanz. [2020. 11 S., 4 Abb., ISSN 2510-1331]
| Origin | Count |
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| Chemische Verbindung | 1 |
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