Untersuchungen zur Quantifizierung der Jod- und Bromflüsse in limnischen Systemen - eine Fallstudie am Beispiel des Bodensees
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurden Konzentrationen, Spezies (Jodid, Jodat sowie organische Verbindungen als Summenparameter) und Flüsse der Halogene Jod und Brom im Bodensee und seinen Zuflüssen sowie im Niederschlag untersucht. Zum Vergleich wurde über einen Zeitraum von einem Jahr tiefenorientiert Konzentrationen und Spezies der beiden Halogene im Mummelsee, einem kleinen DOC-reichen Karsee im Schwarzwald analysiert. Zur Bestimmung der historischen Sedimentation der Halogene wurden aus beiden Seen Lang- und Kurzkerne entnommen. Im Vordergrund des Interesses stand die Frage inwiefern Seesysteme Quellen oder Senken für Jod und Brom darstellen und welches die dominanten Halogenspezies in Seesystemen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in den beiden Seen als auch in den Zuflüssen und dem Niederschlag Jod mit über 80 % als Organojodverbindung vorliegt. Allerdings konnten die vorliegenden Jodspezies bisher nicht exakt identifiziert werden. Die Messungen weisen auf das Vorliegen ionischer organischer Jodverbindungen hin; in Einzelfällen konnte im sowohl im Bodensee al auch im Niederschlag Jodessigsäure und in einem der Zuflüsse jodhaltige Röntgenkontrastmittel nachgewiesen werden. Im Gegensatz zum Jod ist die Bildung organischer Verbindungen für Brom mit ~ 20 % des Gesamtbroms von weit geringerer Bedeutung; der überwiegende Teil des Broms liegt in beiden Seesystemen als Bromid oder in partikulärer Form vor. Die Bilanzierung der Massenflüsse im Bodensee belegt für Jod im Rahmen der Ungenauigkeiten eine ausgeglichene Bilanz. Wichtigste Quelle ist hier der atmosphärische Eintrag in die Böden des Liefergebietes, der sich im Untersuchungszeitraum mit dem Austrag aus dem See in etwa im Gleichgewicht befand. Speziation und Konzentration des Jods werden dabei vor allem über die biologische Aktivität im See gesteuert und zeigen somit auch einen ausgeprägten Jahresgang. Die marinen Sedimente im Einzugsgebiet des Bodensees tragen zwar auch zum Eintrag in den See bei, sind aber quantitativ nur während der Schneeschmelze von Bedeutung. Obwohl Jod in den Seesedimenten gespeichert wird, findet während der Diagenese eine intensive Rücklösung des Jods statt. Anders als beim Jod dessen Konzentration sowohl im See als auch in den Zuflüssen in der Regel Werte im Bereich derer des Niederschlags zeigen, liegen die Konzentrationen des Broms im Mittel um den Faktor 8 über denen im Niederschlag. Hieraus wurde gefolgert, dass die Verwitterung der marinen Sedimente im Einzugsgebiet eine wichtige Bromquelle sein muss und Brom, weniger als Jod, in den Böden retardiert und somit vor allem wieder als Bromid ausgetragen wird. Insgesamt stellt der Bodensee eine Senke für Brom dar, wobei etwas mehr als ein Drittel des eingetragenen Broms im See sedimentiert wird. Im Gegensatz zum Jod konnte keine Freisetzung von Brom aus den Bodenseesedimenten beobachtet werden. Nur im Mummelsee fand unter stark anaeroben Verhältnissen eine Rücklösung von Bromid in die Wasserphase statt. Die bisherige Auswertung der Seesedimentkerne zeigt einen durch den ähnlichen Verlauf der Konzentrationen an Jod und organischem Kohlenstoff einen deutlichen Zusammenhang der Jodakkumulation im Sediment und der Bodenbildung im Einzugsgebiet. Die Bromkonzentrationen in Kurzkernen weisen ebenfalls auf einen Zusammenhang mit der Akkumulation organischer Substanz, vor allem während der Eutrophierungsphasen in den 1970-80 Jahren hin. Allerdings sind die Prozesse der Halogenbindung in Seen insgesamt noch wenig verstanden, womit hier noch Forschungsbedarf besteht. Die kontinuierlichen Niederschlagsmessungen am Bodensee zeigten, dass auch im Niederschlag Organoiodverbindungen die dominanten Bindungsform sind, was im Gegensatz zu bisherigen Vermutungen stand. Aufgrund der Bedeutung dieser Ergebnisse auch für die Atmosphären- und Klimaforschung, sowie der sehr positiven Resonanz aus dem entsprechenden wissenschaftlichen Fachbereich, wurden die Untersuchungen zur Jodspeziation in Niederschlag und Aerosolen im Rahmen des Projektes ausgeweitet. Die Ergebnisse zeigen, dass an vielen Standorten weltweit sowohl im Niederschlag als auch in Aerosolen Jod überwiegend organisch gebundenen vorliegt und diese Verbindungen vermutlich auch maßgeblich an der Bildung von klimarelevanten Aerosolen (Strahlungsabsorption/Reflektion) beteiligt sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2007. Iodine speciation and cycling in limnic systems: observations from a humic rich headwater lake (Mummelsee). Biogeosciences Discussions 5, 25-64
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
- 2006. Concentration, Speciation and Fluxes of Iodine in Lake Constance and its Tributaries. Gesellschaft Deutscher Chemiker: Wasserchemische Gesellschaft 72. Jahrestagung, Celle
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
- 2006. Iodine speciation and redox cycling in limnic systems: Case studies from Lake Constance and the Mummelsee. Geochimica et Cosmochimica Acta 70, A202 (16th Goldschmidt Conference, Melbourne)
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.06.408) - 2007. A thermo extraction-UV/Vis spectrophotometric method for total iodine quantification in soils and sediments. Analytical and Bioanalytical Chemistry 389, 2323-2329
Gilfedder, B. S., Althoff, F., Petri, M., and Biester, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00216-007-1621-4) - 2007. Iodine and bromine speciation in snow and the effect of orographically induced precipitation. Atmospheric Chemistry and Physics 7, 2661-2669
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
- 2007. Iodine Speciation in Rain and Snow. In: O’Dowd, C. D. and Wagner, P. Eds. Nucleation and Atmospheric Aerosols : 17th International Conference, Galway, Ireland 2007. Springer
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
- Iodine speciation in rain and snow: Implications for the atmospheric iodine sink. Journal of Geophysical Research 112
Gilfedder, B. S., Petri, M., and Biester, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1029/2006JD007356) - 2008. Iodine speciation in rain, snow and aerosols. Atmospheric Chemistry and Physics 8, 6069-6084
Gilfedder, B. S., Lai, S. C., Petri, M., Biester, H. and Hoffmann, T.
