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Grundwassermonitoring und-probenahme
Seddin, 21.11.2014
Einsatz isotopenhydrologischer Untersuchungsmethoden in Bergbauregionen
Abbaurichtung
Wasserabsenkung
Aufforstung
Begrünung
Kohleflöz
Abraum
Wasseranstieg
Christina Jeschke, Department Catchment Hydrology
Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ- Halle (Saale)
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Prinzip
Beispiel: mikrobielle Isotopenfraktionierung im Schwefel-Kreislauf
Page 2
d34S d18O d34S
O H 2 2 CO S H H 2 SO O CH 2 2 2 2
2 4 2
+ + + + + -
+
d34S = initial
Sulfat-Pool
34S
34S 34S
34S 32S 32S
32S
32S 32S
34S
32S
32S
34S 34S
d34S > initial
„Rest“-Sulfat
34S
34S 34S
34S
32S
32S
34S
32S
32S
34S 34S
34S
34S
d34S < initial
Sulfid
34S
34S
34S 32S 32S
32S 32S
32S
32S
32S
34S
32S 32S
32S
32S
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ15N-Werte (am gelösten Ammonium)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 3
Grundwasser
Kippensediment
Kjehldahl Aufschluss
Probenahme:
Sediment unter
Argonatmosphäre
verpackt, gekühlt
transportiert und bei
-20°C gelagert
Wasser mit konz.
Schwefelsäure
stabilisiert
Im Labor:
Aufarbeitung zu
Ammoniumsulfat
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
-15
-10
-5
0
5
10
0 2 4 6 8
δ1
5N
/NH
4 ‰
(A
IR)
Ammonium [mg/L]
0
10
20
30
40
50
-5 0 5 10
Tief
e [
m]
δ15N/NH4 ‰ (AIR)
δ15N-Werte (am gelösten Ammonium)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 4
Grundwasser
Sediment
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ15N- und δ18O-Werte (am gelösten Nitrat)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 5
Grundwasser
2 ml je Messlauf
Gasbench
Probenahme:
Wasser durch eine
0,2 µm Membran
filtriert
Im Labor:
Bakterielle
Umsetzung zu
Lachgas
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ15N- und δ18O-Werte (am gelösten Nitrat)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 6
-10
-5
0
5
10
0 5 10 15 20
δ1
5N
/NH
4 ‰
(A
IR)
15N/Nitrat ‰ (AIR)
26.07.2011 18.10.20110
10
20
30
40
0 5 10 15 20
δ1
8O
/Nit
rat
‰ (
VSM
OW
)
δ15N/Nitrat ‰ (AIR)
26.07.2011 18.10.2011
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ34S- und δ18O-Werte (am gelösten Sulfat)
Abbau- und Rückhalteprozesse
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Probenahme:
Wasser mit
Zink-Acetat
stabilisieren
Sediment unter
Argonatmosphäre
verpackt, gekühlt
transportiert,
gefriertrocknen
möglich
Im Labor:
Aufarbeitung zu
Bariumsulfat
1 L 0,5 mg
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ34S- und δ18O-Werte (am gelösten Sulfat)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 8
-5
0
5
10
15
-10 -5 0 5 10
δ18O
/Su
lfat
‰ (
VS
MO
W)
δ34S/Sulfat ‰ (CDT)
Sulfatreduktion im aktiven Tagebau
Abraumfläche seit 1994
Abraumfläche seit 2006
Beispiel für räumliche und
zeitliche Verteilung:
Ältere Kippenflächen zeigen
einen signifikanten
Vorschritt der
Sulfatreduktion
Jüngere Flächen zeigen
keinen Beweis für
mikrobielle
Isotopenfraktionierung
am Sulfat
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ13C- und δ18O-Werte (am gelösten Kohlenstoff DIC/DOC)
Abbau- und Rückhalteprozesse
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Probenahme:
Ausfällung mit
Bariumhydroxid
(500 ml Probe) oder
Bestimmung der
Säurekapazität
(2 ml Probe)
Im Labor:
Ausfällung unter
Stickstoffstrom oder
einsetzen in
GasBench
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
-26
-24
-22
-20
-18
0 50 100 150
δ1
3C
/TIC
‰ (
PD
B)
TIC mg/L
δ13C- und δ18O-Werte (am gelösten Kohlenstoff)
Abbau- und Rückhalteprozesse
Page 10
Kohlenstoff stammt aus
mikrobieller Aktivität
Trotz starker Schwankungen
in der TIC Konzentration,
wenig Variabilität in der
Isotopensignatur
Einfluss anderer
Kohlenstoffquellen wird
sichtbar
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Probenahme:
Geringe Probemenge
(20 ml),
Filtration 0,45 µm
Wasser aus den
GWMS zeigen
geringe Abweichung
von der „Global
Meteoric Water Line“
Typische
Grundwassersignatur
in GWMS vs.
Oberflächen-
beeinflussung
δ2H- und δ18O-Werte (am Wasser)
Herkunft und Alter des Grundwassers
Page 11
-80
-70
-60
-50
-10 -9,5 -9 -8,5 -8
δ2H
/H2O
‰ (
VSM
OW
)
δ18O/H2O ‰ (VSMOW)
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ14C- Werte (am gelösten Kohlenstoff TIC)
Herkunft und Alter des Grundwassers
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Probenahme:
2 x 50-60 L Fässer
Im Labor:
Extrahieren von
Kohlendioxid
Ergebnis beeinflusst
durch Umsetzungs-
und Stofffreisetzungs-
prozesse
0
20
40
60
80
0 2 4 6 8 10
14C
DIC
[p
MC
]
Tritium [TU]
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
δ3H- Werte und δ3He-Werte (am Wasser)
Herkunft und Alter des Grundwassers
Page 13
Probenahme:
1 L Glasflasche (δ3H)
bzw. Kupferrohr
(δ3He) gasfrei befüllen
Im Labor:
Reinigung und
Elektrolyse (δ3H)
Flüssig-
Szintillation-
Spektrometer
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Herkunft und Alters-Charakterisierung im
Vergleich zu Abbau und Rückhalteprozessen
Page 14
Stetige Freisetzung
von Ammonium
Je mehr huminhaltige
Stoffe nachgeliefert
werden, desto mehr
wird die Aktivität der
Sulfatreduktion
unterstützt.
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Equipment
Seite 15
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Equipment
Seite 16
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Equipment
Seite 17
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Messtellen in einer Bergbauregion
Seite 18
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Messstellen in einer Bergbauregion
Seite 19
Einsatz isotopenhydrologischer Untersuchungsmethoden in Bergbauregionen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Besonders an die Projektleiter, Kollegen, Techniker und Supervisors
Grundwassermonitoring und-probenahme
Seddin, 21.11.2014
Christina Jeschke, Department Catchment Hydrology
Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ- Halle (Saale)
4138 4537 4538 4539 7277 7278
26.07.
2011
-23,9 -22,5 -22,2 -21,3 -22,8 -22,1 δ13C
DOC
[‰]
(PDB) 18.10.
2011
-23,7 -20,9 -20,0 -19,5 -25,3 -20,1
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
Approach (Part I)
Support the process of the bacterial sulfate reduction by addition of
reactive substrates
Page 22
In batch experiments:
mix of dump sediment
with
acid or neutralized water
and
carbokalk or coal ash sludge or
paper mill reject
Incubation for 2 month in a
closed system
Dump sediment
Dump water
Reactive material
Prinzip // Methoden // Möglichkeiten
-25
-15
-5
5
start end
δ13C
/TIC
‰ (
PD
B)
carbokalkcoal ash sludgepaper mill rejectreactive solidmaterialoriginal water
Results Fixation of sulfide with reactive material
Page 23
Conversion to sulfide and possible
deposition of pyrite in the sediment
Depletion of 13C in inorganic carbon
indicates also bacterial sulfate reduction
particularly of paper mill reject
Problem // Tools // Results // Summary
Summary
Nature has the basic capability to heal itself
Technical enhancements, i.e. using reactive substances and creating
reactive zones, may help make the respective biogeochemical
processes more efficient
Page 24
Problem // Tools I // Fixation of sulfate with reactive material // Tools II // Conversion of ammonium in reactive zones // Summary
Page 25
0
20
40
60
80
100
20.09.10 04.10.10 02.12.10
MP
N (
cell/
ml)
date
MPL 3/ pH7
MPL 11/ pH7
MPL 3/ pH3
MPL 11/ pH3
Results: Identification of sulfate
reduction bacteria
Approach: Support the process of the
bacterial sulfate reduction by
addition of reactive
substrates