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Untersuchung des physikalischen und chemischen Zustandes von Quellgewässern und Böden in den Vogesen und im Schwarzwald

Zwischen Herbst 2008 und Sommer 2010 wurden in den Vogesen und im Schwarzwald insgesamt 152 Quellen zu den verschiedenen Jahreszeiten beprobt. Neben den Quellgewässern sind auch die Böden der Quellgebiete Gegenstand der Untersuchung. Anhand verschiedener physikalischer und chemischer Parameter soll eine Aussage über den Versauerungsgrad der Quellen und der Böden in beiden Gebirgen getroffen werden. Zudem wird angestrebt, Korrelationen zwischen den Boden- und Quellwerten nachzuweisen. Diese Auswertungen dienen als Basis für die Analyse des Zustandes der Tonminerale in den Böden.

Quellen von Sauerstoffhaltigen Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (OPAK) in Böden - ein substanzspezifischer Stabilisotopenansatz

Sauerstoffhaltige polyzyklische aromatischen Kohlenwasserstoffe (OPAK) können bei Verbrennungsprozessen oder durch sekundäre Transformation aus PAK in der Umwelt entstehen. Einige OPAKs zeigen eine höhere Toxizität, Bioverfügbarkeit und Mobilität in Böden als PAKs. Um das Umweltrisiko von PAKs und OPAKs einschätzen zu können, muss die OPAK-Entstehung verstanden werden. Dazu müssen primäre (aus Verbrennung) und sekundäre photochemische und mikrobielle Quellen von OPAKs unterschieden die Transformation von PAKs zu OPAKs besser verstanden werden. Unser Ziel ist, mithilfe von substanzspezifischen Stabilisotopenverhältnissen primäre und sekundäre OPAK-Quellen in Aerosolen und Böden am Beispiel des Muttersubstanz-Derivat-Paars Anthracen (ANTH) und 9,10-Anthrachinon (9,10-AQ), des oft häufigsten OPAK, zu unterscheiden. Wir prüfen fünf Hypothesen: (i) Primäres und sekundäres 9,10-AQ kann mithilfe der substanzspezifischen C- und H-Isotopenverhältnisse (d13C- und d2H-Werte) unterschieden werden. (ii) Photochemisch produziertes 9,10-AQ zeigt einen spezifischen d2H-Wert. (iii) Die Unterschiede der d13C- und d2H-Werte von 9,10-AQ aus den drei Quellen (primär, sekundär photochemisch und mikrobiell) ermöglichen die Lösung eines Drei-Komponenten-Mischungsmodells. (iv) Der Beitrag des biologisch produzierten 9,10-AQ steigt mit der mikrobiellen Aktivität im Boden, die wir als CO2-Freisetzung aus pflanzenfreien Mikrokosmen messen werden, und der Beitrag des photochemisch produzierten 9,10-AQ ist in ländlichen Böden höher als in städtischen. (v) Wenn die Bodenmikroorganismen vergiftet werden, werden keine OPAKs aus PAKs produziert. Um die fünf Hypothesen zu prüfen, werden wir drei Arbeitspakete (AP) realisieren. Jedes AP umfasst einen experimentellen und einen Beobachtungs-Teil. Im ersten AP werden wir d13C- und d2H-Werte von ANTH und 9,10-AQ sowie zum Vergleich auch von Benz(a)pyren (B(A)P) als reines Verbrennungsprodukt in den gesamten in der Atmosphäre suspendierten Partikeln (TSP) aus der Verbrennung von Biomasse und fossilen Energieträgern bestimmen. Im zweiten AP werden wir die d13C- und d2H-Werte von 9,10-AQ aus photochemischer Entstehung in der Atmosphäre und im dritten AP aus mikrobieller Entstehung im Boden bestimmen. Wir werden TSP aus den Emissionen einer experimentellen Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen und städtischer und ländlicher Luft untersuchen. Wir werden an ein künstliches Aerosol sorbiertes ANTH der Sonneneinstrahlung in Glaskugeln aussetzen und mikrobielle Umsatz-Experimente in Mikrokosmen mit ländlichen Böden, zu denen wir ANTH hinzudotieren, durchführen. Außerdem werden wir die vertikale Verteilung von ANTH, B(A)P und 9,10-AQ und deren d13C- und d2H-Werte in Moder-Waldbodenauflagen, in denen der Abbaugrad der PAK mit der Tiefe zunimmt, untersuchen. In allen TSP- und Bodenproben werden wir PAK- und OPAK-Gehalte sowie d13C- und d2H-Werte von ANTH, 9,10-AQ und teilweise auch B(A)P bestimmen.

Biologische Sanierung von belasteten Boeden

Belasteter Boden wird in der Regel verbrannt oder deponiert. Durch spezielle Bakterien und Hefen koennen die Belastungen zum Teil sehr erheblich abgebaut werden. Im Vordergrund dieses Projektes steht die Analyse der Boeden. Eine Pilotanlage ist in Planung. Der erste Abschnitt der Forschungsarbeit umfasst die Analyse von Boeden auf Mineraloelkohlenwasserstoffen in ihrer Konzentration und Zusammensetzung. Die Sanierung der Bodenproben stellte sich je nach Art der Kohlenwasserstoffe unterschiedlich dar. Der zweite Schritt der Forschungsarbeit umfasst die Analyse von Boeden auf Ruestungs- und Sprengstoffrueckstaende. Erste Erkenntnisse der Sanierungserfolge sind fruehestens Ende 1996 zu erwarten.

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Extraktion von Sprengstoffen mittels ueberkritischem Kohlendioxid

Extraktion von Sprengstoffrueckstaenden aus Bodenproben, Watteabrieben und Saugproben mit ueberkritischen CO2 und anschliessender Identifizierung mit HPLC im ng-Bereich. Sprengstoffe.

Extraktion von Aluminium und Eisen aus organischer Assoziation im Boden - Entwicklung einer neuer selektiven Methode

Im Zuge der Bodenentwicklung werden Metallionen beispielsweise des Aluminiums (Al) und Eisens (Fe) frei, die mit organischer Bodensubstanz (OBS) reagieren können. Wechselwirkungen zwischen Metallkationen und OBS, die zur Stabilisierung der OBS führen, d.h. zur Verlangsamung des Abbaus im Boden, sind seit langem bekannt. Die Wechselwirkungen in sauren Böden durch Adsorption von Al und Fe an funktionelle Gruppen der OBS sowie ihre Ausfällung mit OBS führen zur Bildung von organischen Assoziationen der Metalle. Metalle in organischen Assoziationen werden durch Oxalat gelöst, das allerdings auch Metalle in weiteren mineralischen Bindungsformen freisetzt. Aktuelle Studien zeigen, dass insbesondere die Gehalte oxalatlöslichen Aluminiums die Gehalte an organischem Kohlenstoff im Boden miterklären können. Trotz der Bedeutung der Metalle in organischer Assoziation gibt es bisher keine selektive Methode ihrer Extraktion. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, ein Verfahren zu entwickeln, das die selektive und vollständige Extraktion von Al und Fe in organischer Assoziation und die quantitative und qualitative Charakterisierung der mit Al assoziierten OBS ermöglicht. Dazu wird eine zu entwickelnde Extraktion mit Fluorid bei pH 6,5 in ein sequentielles Extraktionsschema integriert, das Al bzw. Fe aus organischer Assoziation sowie gering kristallinen Fe-Oxiden und Aluminosilikaten separat extrahiert. Vor der Übertragung auf Böden wird die Fluorid-basierte Extraktion mit organischen Modellassoziaten und Referenzmineralen hinsichtlich Selektivität und Vollständigkeit überprüft. Anschließend werden Bodenproben, in denen erhöhte Gehalte von Al und Fe in organischer Assoziation zu erwarten sind, nach diesem Schema extrahiert. Die Proben werden Horizonten von reference soil groups der WRB-Klassifikation entstammen, in die metall-organische Assoziationen transportiert wurden (Podzols, Luvisols), in denen sie sich in situ bilden (Andosols, Cambisols) bzw. sie sich aufgrund von Redoxprozessen bilden (Gleysols, Stagnosols). Je nach pedogenem Milieu werden variable Gehalte an Metallen und OBS in den Assoziationen erwartet, sowie variable Beiträge von Metallen in organischer Assoziation zu den Gehalten oxalatlöslicher Metalle als Summenparameter. Die OBS, die aus Bindungen mit Al extrahiert wird, wird spektroskopisch und thermisch charakterisiert. Auch hier werden Unterschiede nach pedogenem Milieu erwartet, z.B. größere Anteile niedermolekularer Säuren in Podzols als in Andosols mit höheren Anteilen aromatischer OBS. Das Projekt soll nicht nur eine selektive Extraktionsmethode für Al und Fe in organischer Assoziation in Böden leisten, sondern auch die Charakterisierung einer bislang nicht selektiv zugänglichen OBS-Fraktion. Die gewonnenen Daten haben grundlegende pedogenetische Bedeutung und können, bei Anwendung auf größere Probenkollektive, in Modelle zur Erklärung der Steuerung der Gehalte organischen Kohlenstoffs im Boden implementiert werden.

Schwermetallvorkommen in Bodenproben, Futterproben und Rinderlebern (Nordenham)

Anlaesslich des Rindersterbens in Nordenham, das durch hohe Bleiemissionen (technische Maengel an der Filteranlage einer Bleihuette) verursacht wurde, untersuchten wir Proben von Boden und Gruenlandaufwuchs aus der Gegend sowie Lebern von verendeten Rindern. An dem Rindersterben von Nordenham wird aufgezeigt, dass die Konzentrationserhoehung der Schwermetalle in Luft, Wasser und Boden zur toxischen Gesamtsituation fuer Mensch und Tier fuehren kann. Folgende Untersuchungen von Blei, Cadmium und Zink wurden durchgefuehrt: 1) Analysen von Bodenproben, 2) Analysen von Futterpflanzen, 3) Analysen von Rinderlebern, 4) Bestimmung von Enzymaktivitaet im Lebergewebe. Die festgestellten toxischen Werte von Schwermetallen in Boden, Pflanzen und tierischen Geweben geben Auskunft ueber die Resorptionsaktivitaet der pflanzlichen und tierischen Zelle. Vegetabilische und animalische Nahrungsmittel sind somit Traeger von Schadstoffen in wechselnden, unkontrollierbaren Konzentrationen.

Ressortforschungsplan 2023, Analytik von Bodenproben auf Mikroplastik für die Erarbeitung von Hintergrundgehalten für Deutschland

Im Refoplanvorhaben FKZ: 3720 72 288 0 wurden von 2020 bis 2024 Bodenproben von 600 nach statistischen Vorgaben ermittelten Standorten in Deutschland genommen und eingelagert. Die eingelagerten Bodenproben werden im vorliegenden Projekt aufbereitet, extrahiert und analysiert. Es werde sowohl Partikelanzahlen als auch Massenanteile der Kunststoffe erfasst. Die Ergebnisse sollen dazu verwendet werden, das Ausmaß der Kunststoffgehalte in Böden mit nichtspezifischer Belastung darzustellen und die Hintergrundbelastung zu beschreiben.

Festigkeiten nichtbindiger Böden

Herleitung von Korrelationen zur realitätsnahen Beurteilung der Festigkeiten nichtbindiger Böden Die Datenbasis bestehender Korrelationen zur Ermittlung der Festigkeiten nichtbindiger Böden anhand von Drucksondierungen ist gering. Mittels Untersuchungen in einer Versuchsgrube sowie Labor- und Feldversuchen sollen Korrelationen aufgestellt werden, um eine sichere und wirtschaftliche Bemessung zu ermöglichen. Aufgabenstellung und Ziel Das maßgebliche Kriterium zur Bemessung von Bauteilen sowie zur Beurteilung von Standsicherheiten ist neben dem Grundwasserstand die Festigkeit, d. h. die Scherfestigkeit und die Kompressibilität der anstehenden Böden. Während bei Festgestein und bindigen Böden (Tone und Schluffe) vornehmlich direkte Elementversuche an entnommenen Bodenproben im Labor ausgeführt werden, kommen bei nichtbindigen Böden (Sande und Kiese) indirekte Verfahren mittels Sondierungen in Verbindung mit Korrelationen zur Anwendung. Von den unterschiedlichen Sondierverfahren kommt heutzutage überwiegend die Drucksondierung (CPT – Cone Penetration Test) zur Anwendung, um auf die Festigkeiten und die Schichtenfolge der Böden in situ zu schließen. Wie Untersuchungen (z. B. Melzer 1968; Lunne et al. 1997) gezeigt haben, ist das Sondierergebnis einer CPT, d. h. der Spitzenwiderstand und die Mantelreibung, abhängig von diversen Eigenschaften des anstehenden Bodens, wie z. B.: Kornform, Kornverteilung, Lagerungsdichte, Chemismus, Grundwasserstand. Derzeitige Korrelationen (z. B. DIN EN 1997-2, 10/2010) gehen auf einige der Parameter, insbesondere die Kornverteilung, ein. Die Datengrundlage zur Herleitung der derzeit verwendeten Korrelationen basiert lediglich auf oberflächennahen Untersuchungen; die Datenbasis ist gering. Eine Interpretation durch den Sachverständigen für Geotechnik auf Grundlage lokaler Erfahrungen wird daher in den Normen empfohlen. In der norddeutschen Tiefebene stehen regionaltypische nichtbindige Böden in weiten bauwerksrelevanten Bereichen an. Zur realitätsnahen Beurteilung der Festigkeiten dieser Böden sind systematische experimentelle Untersuchungen von Drucksondierungen in einem labortechnischen Druckbehälter (Bild 1) durchzuführen und folglich eigene Korrelationen aufzustellen. Hierbei ist in die unterschiedlichen Ablagerungsmilieus, wie z. B. marine Sedimente, glaziale Schmelzwassersande und Beckensande zu unterscheiden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) In der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) werden Aufschlüsse für die Erkundung des Baugrunds in großem Umfang als Sondierungen ausgeführt und bilden die Grundlage für die Bewertung des Baugrundes. Nur durch eine zutreffend ermittelte Scherfestigkeit und Kompressibilität des Baugrundes können Bauteile wie Uferwände, Baugrubenwände und -sohlen, Rückverankerungen, Pfähle, etc. wirtschaftlich und ressourcenschonend und gleichzeitig sicher dimensioniert werden. Des Weiteren können mithilfe einer besseren Kenntnis der Festigkeitseigenschaften von Böden Standsicherheiten bestehender Strukturen realitätsnäher berechnet werden, was z. B. bei bestehenden übersteilen Böschungen an Kanälen das Entscheidungskriterium für die weitere Vorgehensweise (Erhalt, Beobachtungsmethode, Ertüchtigung, Neubau) ist. Abschließend kommt den o. g. Parametern in der Planung eine bedeutende Rolle bei der Festlegung geeigneter Bauverfahren zu. Untersuchungsmethoden Es sind experimentelle Untersuchungen in einem labortechnischen Druckbehälter, auch Kalibrierkammer genannt (Bild 1), zur Erstellung eigener Korrelationen vorgesehen. Hierbei sind unter definierten Bedingungen unterschiedliche Korngemische zu untersuchen, um verschiedene Einflussparameter wie z. B. Kornverteilung, Korngröße, Kornform, Lagerungsdichte, etc. und auf das Sondierergebnis zu untersuchen. (Text gekürzt) Herleitung von Korrelationen zur realitätsnahen Beurteilung der Festigkeiten nichtbindiger Böden Die Datenbasis bestehender Kor

Reaktiver Transport von Haldensickerwasser in teilgesättigten quartären (pleistozänen/holozänen) Talsedimenten

Im Ronneburger Revier (Ostthüringen) fand von 1952-1990 die weltweit größte Urangewinnung aus Schwarzpeliten statt. Die derzeit vom Halden-Sickerwasser der Nordhalde, später vom austretenden Flutungswasser des gefluteten unterirdischen Grubengebäudes durchströmten Talsedimente des Gessentales stellen nach den seit August 1997 laufenden Voruntersuchungen eine Senke für Schwermetalle/Radionuklide dar. Die Fällungsprozesse und die Randbedingungen für diese Senkenfunktion sind bisher nicht bekannt. Noch in diesem Jahr werden über 100 Sondierungsbohrungen (Schlagbohrverfahren) von Seiten der Wismut GmbH im Gessental durchgeführt, woraus sich eine exzellente Probenentnahmemöglichkeit ergibt. Mit dem beantragten Forschungsprojekt sollen die sedimentologischen und hydraulischen Bedingungen und hydrogeochemischen (und mikrobiologischen Prozesse im Sicker- und Grundwasserpfad der quartären Talsedimente unter besonderer Berücksichtigung des Verhaltens von Uran erfasst werden. Hierzu sind sowohl Gelände- (Infiltrationstests, Pumpversuche, evtl. Tracertests) als auch Laborexperimente (Säulenversuche) vorgesehen. Die Kenntnisse sollen genutzt werden, um Teilprozesse des Systems zu modellieren (hydraulische und thermodynamische Gleichgewichtsmodelle), die für die Demobilisierung der Schwermetalle/Radionuklide wichtig sind. Die Ergebnisse stellen die Voraussetzung für eine fundierte Prognose über die Entwicklung der Stoffausträge aus dem Gessentaler Fließsystem und für die Stoffdynamik natürlicher Systeme dar.

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