Diaz-Bone, Roland Arturo:

Untersuchung metall(oid)organischer Verbindungen nach biologischer Abfallbehandlung mittels einer neu entwickelten GC-ICP-MS-Methode

Duisburg-Essen (2006), XII, 172 S.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie
Hirner, Alfred V. (Doktorvater, Betreuerin)
Widmann, Renatus; Broekaert, Jose (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Obwohl der Prozess der Kompostierung eine hohe mikrobiologische Aktivität aufweist, ist das Potenzial zur Biomethylierung von Metall(oid)en bisher nicht erforscht worden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand daher darin, die Bildung methylierter Metall(oid)spezies im Verlauf der Kompostierung zu untersuchen. Um die Biomethylierung verschiedener Elemente simultan untersuchen zu können, war die Entwicklung einer neuen Methode notwendig. Zur Multielementanalytik methylierter Spezies wurde die Hydridgenerierung mit anschließender Gaschromatographie gekoppelt mit ICP-MS eingesetzt (HG-GC-ICP-MS). Das grundlegende Problem bei der Anwendung dieser Methodik lag in den stark differierenden pH-Optima der untersuchten Spezies bei der Derivatisierung. Dieses Problem konnte durch Einführung eines pH-Gradienten im Verlauf der Derivatisierung gelöst werden, wodurch eine annähernd gleiche Signalstärke für Spezies mit weit auseinander liegenden pH-Optima in einer Analyse erreicht werden konnte. Die pH-Gradient-HG-GC-ICP-MS ermöglicht die simultane Analyse methylierter Ge‑, As-, Sn-, Sb- und Te- Spezies. Für die untersuchten methylierten Standardsubstanzen sowie Monobutylzinn wurden Wiederfindungsraten von über 90% sowie relative Standardabweichungen unter 3% erreicht. Die Methode ist vergleichsweise schnell und einfach und geeignet, einen hohen Durchsatz an Umweltproben mit hoher Analysengenauigkeit zu bewältigen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass in der Kompostierung hohe Mengen methylierter Verbindungen gebildet werden können. Bei einer Untersuchung von 34 industriellen Kompostierungsanlagen wurden maximale Konzentrationen methylierter Arsenspezies von über einhundert µg/kg detektiert, aber auch methylierte Zinn- und Antimonspezies wurden im einstelligen µg/kg-Bereich bestimmt. Für Arsen wurden maximale Methylierungsraten (Anteile methylierter Spezies am Gesamtgehalt) im Prozent-, für Zinn und Antimon im Promillbereich bestimmt. Kompostierungsversuche unter unterschiedlichen Bedingungen zeigten, dass die hohen Konzentrationen vermutlich weniger auf technische Besonderheiten der industriellen Kompostierung sondern auf die hohe Aktivität der Mikrobiozönose im Kompostierungsprozess zurückzuführen sind. Zeitaufgelöste Messungen in industriellen Kompostierungsanlagen sowie Kompostierungsversuche mit Biomüll zeigten, dass die Bildung methylierter Spezies innerhalb von wenigen Wochen abläuft. Erst bei der Nachrotte werden diese Verbindungen wieder abgebaut. Zur detaillierteren Untersuchung der Biomethylierung in Kompost war die Entwicklung eines Modellsystems im Labormaßstab notwendig. Durch die Verwendung von Luzernheu als Ausgangsmaterial konnte in temperaturisolierten und druckbelüfteten Kompostreaktoren ein reproduzierbarer Temperaturverlauf erreicht und die Bildung metall(oid)organischer Verbindungen mit hoher zeitlicher Auflösung untersucht werden. Mit Hilfe dieses Modells konnte gezeigt werden, dass die Biomethylierung nicht direkt mit der biologischen Aktivität korreliert, sondern die höchsten Bildungsraten erst nach dem ersten Temperaturmaximum und nach Absenkung des Redoxpotenzials erreicht werden. Zur Untersuchung des Bildungspotenzials metall(oid)organischer Verbindungen wurde Luzernheu zusammen mit hohen Konzentra­tionen löslicher Metallsalze kompostiert. Bei diesen Versuchen wurden außergewöhnliche Konzentrationen methylierter Arsenspezies im hohen mg/kg-Bereich gebildet und Methylierungsraten im Bereich von 50% erreicht. Aufgrund des hohen Bildungspotenzials sowie der hohen Mobilität methylierter Arsenspezies ist es empfehlenswert, das Spektrum der in biologisch behandelten Abfällen gesetzlich reglementierten Metall(oid)e um Arsen zu erweitern sowie die Arsengrenzwerte der Düngeverordnung auch auf als Dünger verwendeten Kompost auszuweiten und eine Verwendung von Fertigkompost gegenüber dem Einsatz von Frischkompost zu bevorzugen.