AquaDiva
Rückwirkung von geochemischen Störungen und
Medienreaktivität in der kritischen Zone auf die Speziation von Spurenelementen und
Transportparameter (C07)
DFG Förderkennzeichen 218627073
Laufzeit: Juli 2021 - Juni 2025
Projektleitung: Prof. Dr. Thorsten Schäfer
Bearbeitung: Ruth Ewouame, Dr. Dirk Merten
Koordination: Collaborative Research Centre 1076 AquaDiva.
Projektwebseite: https://www.aquadiva.uni-jena.de/ en
Schlagworte: Ton-Nanopartikel, künstlich hergestellte Nanopartikel, Spurenmetalltarnsport, Kritische Zone
Beschreibung:
Das Grundwasser macht im Durchschnitt ein Drittel des vom Menschen verbrauchten Süßwassers aus, in einigen Teilen der Welt kann dieser Anteil sogar bis zu 100% erreichen.(2) Trotz ihrer Bedeutung sind Grundwasserleiter durch verschiedene Ereignisse wie Landnutzung und extreme Wetterereignisse (Starkregen, Schneeschmelze) bedroht, insbesondere durch den Klimawandel.
Das Ziel des Sonderforschungsbereichs 1076 AquaDiva ist es daher, die Verbindung zwischen der ober- und unterirdischen Biogeosphäre, der sogenannten Kritischen Zone der Erde zu untersuchen.
Zwei verschiedene Standorte in Deutschland mit unterschiedlichen geologischen Gegebenheiten werden im Rahmen unserer Forschung untersucht. Der erste ist das sogenannte Hainich Critical Zone Exploratory (Hainich CZE) im Nordwesten Thüringens mit einem Karbonat-/Siliziumklastik-Grundgebirge (alkalische geologische Verhältnisse) und einem Kluftgrundwasserleiter. (3) Das zweite Untersuchungsgebiet ist das sogenannte Saale-Elster-Sandsteinplatten-Observatorium (SESO) in Südostthüringen mit einem von siliklastischem Grundgestein dominierten sauren Milieu) und einem geklüfteten/porösen Grundwasserleiter. (4)
Die Hauptziele unseres Teilprojekts C07 sind das Verständnis der Dynamik, der Kontrolle und der Rückkopplungen der Fluide auf den Transport und die Speziation von kolloidassoziierten Spurenstoffen von der Oberfläche bis in den Untergrund unter Verwendung von technischen Ton-Nanopartikeln (engineered clay nanoparticles, ECNs) als Tracer und die Untesuchung des Einflusses der lokalen Geologie und klimatischer Ereignisse auf das Mikrobiom im Untergrund an den beiden AquaDiva-Standorten.
Die Flüssigkeitsinfiltration während Wetterereignissen ist ein wichtiger Weg für den Transport von gelösten Stoffen, Kolloiden und Nanopartikeln von der Oberfläche in den Untergrund (Grundwasser). Dies ist von großer Bedeutung, da Ton-Nanopartikel aufgrund ihrer negativen Oberflächenladung und ihrer großen spezifischen Oberfläche als hervorragende Adsorber für metallische Schadstoffe bekannt sind.
Eine Voraussetzung für die Migration von Kolloiden und Nanopartikeln ist ihre Stabilität gegen Aggregation.(5) Diese Stabilität und die damit verbundene Speziation von Spurenmetallen kann von den physikalisch-chemischen Parametern des Grundwassers (pH-Wert, Ionenstärke, natürliche organische Stoffe) beeinflusst werden, die ihrerseits durch die lokale Geologie und den Nährstoffeintrag bestimmt werden. Daher untersuchen wir die Stabilität (Aggregationskinetik) der Ton-Nanopartikel (Ni/Zn-Montmorillonit) in synthetischen Wässern und Brunnenwässern von den Satandortten Hainich CZE und SESO, indem wir z.B. die Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) und die dynamische Lichtstreuung (DLS) als Methoden einsetzen.
Darüber hinaus kann die Lösung des Gesteinsmaterials im Kontakt mit dem Regenwasser die Struktur des Grundwasserleiters (Veränderung von Poren und Klüften) und damit die Fließwege der Fluiden verändern. Dadurch können auch einige in die Gesteinsmatrix eingelagerte Spurenmetalle freigesetzt werden(6), wodurch sich die Konzentration von Schadstoffen, die von der Oberfläche in den Untergrund gelangen, erhöht. Wir werden Auflösungsexperimente mit den Gesteinsmaterialien der Standorte SESO und Hainich durchführen und die Verteilung der Spurenmetalle mit LA-ICP-MS untersuchen.
Die Mobilität der stabilen oder aggregierten Nanopartikel hängt von der Fließgeschwindigkeit und den Fließwegen in Abhängigkeit von der Struktur des Grundwasserleiters (Klüfte, Porosität) ab. Anschließend wird untersucht, welche Rolle extreme Wetterereignisse (Starkregen, Schneeschmelze) und Fluidströmungswege für den Transport und die Mobilität dieser Partikel spielen. Einerseits werden die Poren des Aquifers mittels Röntgenmikroskopie (XRM) untersucht, andererseits werden Säulenexperimente durchgeführt, um die Mobilität der Ton-Nanopartikel zu überwachen.
Weitere Informationen finden Sie auf diesem Poster in englischer Sprache.pdf, 850 kb