Umweltisotopenchemie
Aktuelle Forschungsthemen
Grundwasserkontaminationen durch chlorierte Lösemittel, Benzininhaltsstoffe und Pestizide sind weit verbreitet und stellen eine der größten Herausforderungen auf dem Gebiet der Umweltnaturwissenschaften dar. Unsere Gruppe untersucht den Ursprung, Transport und Abbau von solchen Schadstoffen mit Hilfe von Substanz-spezifischer Isotopenanalyse. Das Verhältnis stabiler Isotope in organischen Substanzen ist nämlich bemerkenswert konstant während physikalischer Umverteilungsprozesse (Verdünnung, Sorption, etc.), zeigt jedoch eine ausgeprägte Veränderung (Fraktionierung), sobald abiotischer oder biologischer Abbau stattfindet. Signifikante Verschiebungen in den Isotopensignaturen über Zeit und / oder Fließweg können daher verwendet werden, um Schadstoffabbau im Feld qualitativ nachzuweisen, bzw. um das Ausmaß dieses Abbaus sogar quantitativ abzuschätzen.
Während solch eine Isotopenanreicherung bisher als „Black Box Parameter“ behandelt wurde, haben wir kürzlich ein Verfahren entwickelt, das eine Umrechnung in Apparent Kinetic Isotope Effects (AKIE) erlaubt. Diese Werte sind charakteristisch für verschiedene (bio)chemische Transformationsreaktionen, so dass Abbauwege von Schadstoffen unter Umständen bereits aus dem Fraktionierungsmuster ihrer stabilen Isotopen identifiziert werden können (Elsner et al. 2005). Dies ist besonders wichtig, falls die Abbauprodukte einerseits harmlos, anderseits aber auch problematischer sein können als die Ausgangssubstanzen.
Ein Hauptziel unserer Arbeitsgruppe ist es, die Messung von Isotopenfraktionierung und ihren Einsatz auch für Pestizide zu entwickeln, eine Substanzklasse, für die Substanz-spezifische Isotopenanalyse bisher kaum zur Anwendung kam. Diese Art von Schadstoffen bietet zahlreiche Herausforderungen: Pestizide sind wasserlöslich, wenig flüchtig und kommen in relativ niedrigen Konzentrationen im Grundwasser vor, so dass sie für Substanz-spezifische Isotopenanalyse schwer zugänglich sind. Zudem werden diese Agrochemikalien über große Flächen verteilt ausgebracht, so dass das Modellieren von Transport und Abbau komplizierter ist als im Fall von Grundwasserverunreinigungen von punktförmigen Quellen.
Ziele unserer Forschungsgruppe
Testen von Anreicherungs- und Aufreinigungsmethoden, die es möglich machen, Substanz-spezifische Isotopenanalyse für Pestizide zu entwickeln, als neue wichtige Klasse von Grundwasserschadstoffen.
Etablierung eines neuen Konzepts, das Abbauwege mit Hilfe der beobachtbaren Isotopenfraktionierung identifiziert, die während des biologischen und abiotischen Abbaus in natürlichen Systemen gemessen wird.
Bestimmung kinetischer Isotopeneffekte als mechanistisches Werkzeug, um Geschwindigkeits-bestimmende Schritte in chemischen und biologischen Abbaureaktionen aufzuklären.
Einsatz von Isotopen-markierten Kontaminanten, um mit Hilfe des Isotopenmarkers aktiv abbauende Organismen zu identifizieren (Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe “Molekulare Ökologie”, T. Lüders, und „Anaerober Schadstoffabbau“, R. Meckenstock).
