Molekulare Mechanismen der Antimonbindung an die organische Bodensubstanz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Antimon ist ein potenziell toxisches Metalloid, das aufgrund seiner Verwendung in vielen industriellen und technischen Produkten zunehmend in die Umwelt gelangt. Trotz zunehmender Einträge von Sb in Böden, in welchen Sb unter oxischen Bedingungen als Sb(V) vorliegt, gibt es nur wenige Informationen über sorptive Wechselwirkungen zwischen Sb(V) und heterogener organischer Bodensubstanz. Daher untersuchten wir die Sorption von Sb(V) an partikuläre organische Substanz (POM) eines Torfbodens, erforschten molekulare Bindungsmechanismen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie und modellierten Sb(V)-Sorptionsdaten mit Hilfe des Stockholm Humic Model (SHM). Unsere Ergebnisse zeigten, dass POM keine Reduktion von Sb(V) verursachte und die Sb(V)-Sorption von 109 mmol kg-1 bei pH 3 auf 72,4 mmol kg-1 bei pH 5 abnahm. Obgleich die maximale Sb(V)-Sorption bei pH 1,8–2,8 auftrat, wurden bei pH 6 immer noch bis zu etwa 10% des gesamten Sb(V) aus der Lösung entfernt. Eine Erhöhung der POM-Konzentration und Ionenstärke sowie die Anwesenheit von Ca2+ verstärkten die Sb(V)-Sorption. Die hohe Sorptionskapazität von POM gegenüber Sb(V) war mit einer geringen Bindungsaffinität von Sb(V) verbunden. Die Sorptionskinetik von Sb(V) war langsam und zeigte im Allgemeinen ein zweiphasiges Muster. Das sehr langsam sorbierende Sb(V) konnte auf die Diffusion von Sb(V) in negativ geladene POM-Partikel zurückgeführt werden. Als Bindungsmechanismus wurde die Bildung zweizähniger Sb(V)- Komplexe mit Polycarboxyl-, Hydroxycarboxyl- und/oder Polyol-Liganden der POM identifiziert. Das SHM lieferte eine genaue Beschreibung der Sb(V)-Sorptionsdaten. SHM- Berechnungen zeigten, dass die Sb(V)-Sorption an POM selbst oberhalb von pH 7 quantitativ relevant sein kann und die Ausfällung von Ca-Antimonaten bei saurem pH-Wert beeinträchtigt. Modellvorhersagen zeigten auch, dass Al, Pb und Molybdat eine erhebliche Desorption von Sb(V) bewirken können und die Sb(V)-Komplexierung durch POM in organischen Böden in Gegenwart von >1 Gew.-% Metalloxiden vernachlässigbar wird. Wir untersuchten ebenso die mögliche Bildung von Sb(V)-Metall-POM-Komplexen („ternäre Komplexe“) bei pH 3 und 5 unter Verwendung Fe(III)- und Sr-beladener POM als Sorbenten für Sb(V). Hier lieferte die Röntgenabsorptionsspektroskopie jedoch keinen Hinweis auf diese Art der Sb(V)-Bindung an POM. Zusammengefasst bedeuten unsere Ergebnisse, dass POM zwar über ein enormes Potenzial für die Festlegung von Sb(V) über einen breiten pH-Bereich verfügt, konkurrierende Ionen und mineralische Sorbenten die Bindung von Sb(V) an POM jedoch stark verringern können. Dies deutet darauf hin, dass die Sorption von Sb(V) an POM nur in oxischen, metallarmen Böden bzw. Bodenkompartimenten relevant ist. Darüber hinaus implizieren unsere Ergebnisse, dass die Sb(V)-Sorption an metallorganische Komplexe gelöster oder partikulärer organischer Substanz in sauren Böden unbedeutend ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Antimonate reaction with particulate natural organic matter [Data set]. LUIS
Mikutta C., Christl I., Hockmann K., Niegisch M., Schnee L.S.
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Antimony(V) reaction with particulate natural organic matter: Sorption behavior, binding mechanism, and environmental implications. Geochimica et Cosmochimica Acta, 391, 218-236.
Mikutta, Christian; Christl, Iso; Hockmann, Kerstin; Niegisch, Max & Schnee, Laura S.
