Jahreszeitlicher Verlauf der Phosphatspeziierung und deren Rolle für die Bindung und Freisetzung von Schwermetallen und Eisen in Seen

Inhaltsverzeichnis

1. Zielstellung

2. Grundlagen Phosphat

3. Phosphat im Gewässer

4. Einfluss von chemischen Prozessen auf Phosphat in den Kompartimenten eines aquatischen Ökosystems
4.1. Epilimnion
4.2. Hypolimnion - Sediment - Wasser - Grenzschicht
4.3. Litoral

5. Chemische Prozesse in einem dimiktischen See
5.1. Zirkulations- und Stagnationsphasen eines dimiktischen Sees
5.2. Die für Phosphat relevanten chemische Prozesse im dimiktischen See
5.3. Auswirkungen auf Nährstoffhaushalt und Schwermetallverfügbarkeit im See

6. Fazit

7. Anhang

8. Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Phosphoar-Eisen-Umsatz in der Wasser-Sediment-Kontaktzone

Abbildung 2: Jährliche Zirkulation und Schichtung in einem dimiktischen See

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Gleichgewichtsreaktionen von Phosphat mit dazugehöriger - 3 - Dissoziationskonstante und pKs-Wert

1. Zielstellung

Diese Hausarbeit soll den jahreszeitlichen Verlauf der Phosphatspeziierung und deren Rolle für die Bindung und Freisetzung von Schwermetallen und Eisen beschreiben. Dazu soll geklärt werden, welche Rolle Phosphat aus biologischer und chemischer Sicht in aquatischen Ökosystemen spielt. Da Phosphat in verschiedenen Bindungsformen vorliegt, wobei sowohl Löslichkeit als auch Speziierung und die Bedeutung von Kolloiden stark vom Redoxpotential und vom pH-Wert abhängig sind.

Des Weiteren soll geklärt werden, wie Phosphorverbindungen die Bindung und Freisetzung von Schwermetallen und Eisen in Seen beeinflussen. Im zweiten Teil werden die zuvor beschriebenen Prozesse auf einen dimiktischen See angewendet. Abschließend soll darüber diskutiert werden, welche Auswirkungen die beschriebenen Prozesse für den Nährstoffhaushalt und die Schwermetallverfügbarkeit im See in den verschiedenen Zirkulationsphasen erwartet werden.

2. Grundlagen Phosphat

Phosphor ist ein nichtmetallisches Element der 5. Hauptgruppe. Phosphor ist das 11 häufigste Element in der Erdkruste (mit 0,12 cg/g entspricht 0,09 %). In der Erdkruste liegt Phosphor hauptsächlich als Apatit [Ca5(PO4)3Cl, F, OH, Ca] oder Phosphorit Ca3(PO4)2 vor [6].

Phosphorverbindungen und besonders Organophosphorverbindungen sind essentiell für alle Lebensvorgänge, da diese beispielsweise als Bestandteil von Proteinen und Nukleinsäuren oder für den Energiestoffwechsel (ATP, Adenosintriphosphat) lebensnotwendig sind. Als Calciumphosphat ist Phosphor ein wichtiger Bestandteil von Knochen [7].

Da Phosphor auf Grund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff nicht im freien Zustand vorkommt, liegt er in der Natur nur in Form von Phosphaten vor [2]. Phosphate sind die Salze und Ester der Orthophosphorsäure (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten). Phosphat liegt in allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe +V vor [2]. Gelöstes Orthophosphat ist biologisch sehr wichtig, weil es direkt pflanzenverfügbar ist [1]. Da Phosphat zu schwer löslichen Verbindungen neigt, gerät es daher oft auf trophischer Ebene in die Rolle des wachstumslimitierenden Faktors noch vor Stickstoff [8].

3. Phosphat im Gewässer

Phosphat wird durch partikulären atmosphärischen Niederschlag und durch Verwitterung von Gesteinen (s. Gleichung (1) Verwitterung von Apatit) in Gewässer eingetragen. [9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (1)

Jedoch der größte Eintrag erfolgt in Form von anthropogenen Einträgen aus Industrie, Haushalt und Landwirtschaft. Dabei werden die Phosphate in Form von Düngern, Waschmitteln usw. in die Umwelt eingetragen. Dies kann zum Beispiel auch zu einer Eutrophierung von Gewässern führen [7]. Aus anthropogen unbelasteten Böden gelangt kaum Phosphat ins Gewässer, weil dort das Phosphat zu stark gebunden vorliegt. Im Gegensatz zu anthropogen genutzten Böden, die durch Düngung mit Phosphat übersättigt wurden. [9]

In Gewässern liegt Phosphat in drei verschiedenen Fraktionen vor. Zum einen als gelöstes anorganisches Phosphat (Orthophosphat), das je nach pH-Wert alsAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenoder Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenvorliegt. Außerdem kann Phosphat als organisch gelöstes Phosphat und als organische partikuläres Phosphat auftreten. Das organisch partikuläre Phosphat liegt gebunden in Organismen, an Schwebstoffen, adsorbiert im Sediment oder beispielsweise als unlösliches Caliciumphosphat (Apatit) vor. Diese drei Fraktionen beschreiben das Gesamtphosphat. [9]

Orthophosphat oder Orthosphosphorsäure (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) ist eine dreibasige Säure. Die Salze dieser Säure lassen sich in primäre (Dihydrogenphosphat, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten), sekundäre (Hydrogenphosphat,Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) und tertiäre Phosphate (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) einteilen. [10]

Gibt man Orthosphosphorsäure in Wasser dissoziert diese schrittweise. Die Gleichgewichte werden durch die Dissoziationskonstante beschrieben (s. Tabelle 1). Die Abfolge Ks1>Ks2>Ks3 bzw. pKs1<pKs2<pKs3 ist typisch für alle mehrprotonigen Säuren[6].

Tabelle 1: Gleichgewichtsreaktionen von Phosphat mit dazugehöriger Dissoziationskonstante und pKs-Wert [10][6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei einem physiologischen pH-Wert (ca. pH 7) dominieren Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenim Verhältnis 3:2 im Wasser. Dieses Verhältnis dreht sich bei einer pH-Wert Zunahme von ca. 0,5 um. Unter stark alkalischen Bedingungen wie z.B. bei pH=13 dominieren Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten undAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Unter stark sauren Bedingungen (pH=1) ist H3PO4 dominierend im Vergleich zuAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenund Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltensind praktisch abwesend. [10] In den meisten natürlichen Gewässern herrscht meist ein schwach alkalisches Milieu, sodass vor allem Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenund Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten im Gewässer vorliegt [6]. In anthropogen unbelasteten Seen ist das anorganische Phosphat nur in sehr geringen Mengen (wenige µg/L) enthalten [9].

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