Umweltgeochemische Charakterisierung der niedermolekularen organischen Fracht des Flußsystems Lippe

Dsikowitzky, Larissa; Littke, Ralf

doi:10.18154/RWTH-CONV-120954

Umweltgeochemische Charakterisierung der niedermolekularen organischen Fracht des Flußsystems Lippe

Dsikowitzky, Larissa

2002 & 2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Larissa Dsikowitzky

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangVI, 131 S., A1 - 20 : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Prüfungsjahr: 2002. - Publikationsjahr: 2003

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6796
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-120954
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59144/files/59144.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Lippe <Fluss> (Genormte SW) ; Schadstoffbelastung (Genormte SW) ; Niedermolekulare Verbindungen (Genormte SW) ; Organische Verbindungen (Genormte SW) ; Umweltgeochemie (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; GC-MS (frei) ; Screening Untersuchungen (frei) ; niedermolekulare organische Verbindungen (frei) ; organische Schadstoffe (frei) ; Flußsysteme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Flüsse als Lebensraum für Tiere und Pflanzen sind von großer Bedeutung für die biologische Vielfalt und damit ein empfindliches und besonders schützenswertes Ökosystem. Eine umfassende Untersuchung von niedermolekularen organischen Substanzen anthropogener und nicht-anthropogener Herkunft in einem ausgewählten fluviatilen System bildet den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Als Arbeitsgebiet wurde der Fluß Lippe in Nordrhein-Westfalen ausgesucht, da er günstige Voraussetzungen für eine komplexe Erfassung anthropogener und nicht-anthropogener organischer Verbindungen und ihrer Quellenzuordnung bietet. Auf einer relativ kurzen Fließstrecke sind zahlreiche verschiedenartige Eintragsquellen für organische Substanzen lokalisiert, u.a. Industriebetriebe, städtische Kläranlagen und Bergbau. Im Abstand von sechs Monaten wurden insgesamt vier Probenahmekampagnen durchgeführt, wobei jeweils 19 Wasser- und Sedimentproben an ausgewählten Punkten im Längsprofil der Lippe entnommen wurden. Um ein möglichst großes Spektrum organischer Substanzen zu erfassen, wurden nicht diskriminierende Methoden für die Extraktion und Analyse der Proben gewählt. Die Detektion der extrahierten Substanzen erfolgte mit FID/ECD sowie dem Sektorfeld-Massenspektrometer, wodurch eine große Anzahl niedermolekularer organischer Substanzen mit hoher Empfindlichkeit registriert werden konnten. In Wasserproben der Lippe wurden über 100 niedermolekulare organische Verbindungen zweifelsfrei identifiziert; das Spektrum reichte von unpolaren Substanzen wie aliphatischen Kohlenwasserstoffen bis hin zu polaren Substanzen wie freien Carbonsäuren und Phenolen. Eine große Anzahl der identifizierten Verbindungen konnte mit hoher Wahrscheinlichkeit anthropogenen Quellen zugeordnet werden. Viele dieser Verbindungen werden als Ausgangs- oder Zwischenprodukte bei industriellen Synthesen, als Weichmacher, Flammschutzmittel, Arzneimittel oder Duftstoffe verwendet. Durch die Anwendung geeigneter molekularer Marker konnten kommunale Abwässer als Haupteintragsquelle für die anthropogene organische Belastung des Flußsystems festgestellt werden. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Erstellung eines individuellen Belastungsprofils der Lippe anhand der quantitativen Betrachtung von ausgewählten Lippewasserinhaltsstoffen im Längsverlauf der Lippe. Aus den ermittelten Stoffkonzentrationen im Wasser und dem Abfluß am Tag der Probenahme wurden die im Fluß transportierten Stofffrachten errechnet. Anhand der auftretenden Stoffverteilungsmuster im Längsprofil der Lippe ließen sich mehrere Stofftypen unterscheiden: Typ 1 zeichnete sich durch eine deutlich erkennbare Tendenz zu ansteigenden Frachten im Flußverlauf aus, bei Typ 2 war diese Tendenz ebenfalls vorhanden, sie wurde aber durch die im Flußverlauf stark schwankenden Frachten nur undeutlich abgebildet. Beiden Stofftypen ist gemeinsam, daß ein regelmäßiger Eintrag im Flußverlauf, meist durch kommunale Abwässer, erfolgt. Die Tendenz der Stoffe des Typs 1 zu ansteigenden Frachten im Flußverlauf bedingt, daß die Menge des Stoffeintrags die des Stoffaustrags stets übersteigt, so daß ein mehr oder weniger ausgeprägter permanenter Anstieg der in der gelösten Phase transportierten Stofffracht zu verzeichnen ist. Diese Akkumulation in der wäßrigen Phase impliziert, daß die untersuchten Stoffe eine gewisse Stabilität gegenüber Abbauprozessen und eine geringe Neigung zu Phasenübergängen aufweisen. Das unregelmäßige Verteilungsmuster der Stoffe vom Typ 2 läßt sich durch die teilweise Kompensation der Einträge durch schnelle und effektive Austragsprozesse erklären, was auf eine schnelle Degradation dieser Stoffe im wäßrigen Milieu bzw. auf deren Übergang in andere Phasen (Verdampfung, Adsorption an partikuläres Material) schließen läßt. Daneben gab es noch einen 3. Typ von Stoffen, die nur an bestimmten Abschnitten des Flußverlaufs nachweisbar waren und deren Auftreten im Fluß auf punktförmige Eintragsquellen zurückzuführen war. Im wäßrigen Milieu relativ stabile organische Schadstoffe wie die Stoffe vom Typ 1 können als Marker für anthropogenen Stoffeintrag dienen und so als Überwachungsparameter für die individuelle Belastung des Flusses angewendet werden. Insgesamt bietet die Untersuchung der Stoffverteilung im natürlichen System die wertvolle Möglichkeit, die Eigenschaften und das Schicksal der eingetragenen Stoffe in der aquatischen Umwelt unmittelbar zu studieren.

Rivers are a sensitive and complex ecosystem hosting a diverse spectrum of organisms. Human activities have resulted in increasing river pollution due to input of organic contaminants into the river systems (anthropogenic input). The main emphasis of the present study is a comprehensive examination of anthropogenic and non-anthropogenic low-molecular weight organic compounds in a selected river system. The Lippe River (North Rhine-Westphalia, Germany) was chosen for this approach because it is located in a densely populated area with many diverse anthropogenic input sources, e.g. chemical industry, mining, agriculture and sewage. Four sample sets of river water and sediments were taken semi-annually at 19 sampling sites on a longitudinal section of the Lippe River. In order to identify a broad spectrum of organic compounds, non-discriminating methods were applied for extraction and analysis of the sample material. Gaschromatographic separation of the compounds and subsequent registration with FID/ECD as well as with MS allowed to identify a large number of low-molecular weight compounds with a high sensitivity. In this study the main emphasis was put on the investigation of the water samples. More than 100 dissolved organic compounds were identified which ranged from nonpolar constituents like aliphatic hydrocarbons to polar constituents like carboxylic (fatty) acids and phenols. Most of the organic compounds identified in Lippe River water could be attributed to anthropogenic input. Many of these anthropogenic compounds are by-products of industrial synthesis or are used as plasticizers, flame retardants, pharmaceutical drugs or synthetic fragrances. Using suitable molecular markers, effluents of sewage treatment plants were determined as the main input source for organic pollution of the Lippe River system. One major goal of this study was to investigate the organic pollution of the Lippe River on a quantitative basis. To this end 26 anthropogenic compounds of interest which were present in most water samples in concentrations above the limit of quantitation were surveyed. Features of specific interest were those related to e.g. xenobiotic attributes (e.g. ethylhexyl functional groups) or compounds with assumed physiological properties. Dissolved organic loads of the selected compounds were calculated on the basis of compound concentrations in water and river runoff on the day of sampling. The organic loads of each compound were compiled along the longitudinal section of the Lippe River in order to generate individual spatial pollution profiles. Distribution of organic loads along the river showed distinctive patterns, depending upon the input situation and physico-chemical properties of the compounds. Type 1 compounds were characterised by steadily increasing loads from the river source to the river mouth. Type 2 compounds represented the same trend but, due to large variations along the river, not as significantly as Type 1. Both types have in common that a steady input along the river, in most cases by effluents of sewage treatment plants, is taking place. Increasing loads of Type 1 compounds along the river indicate that the input rate is always higher than removal rate. This accumulation in the aqueous phase indicates the persistence of Type 1 compounds and their low tendency to partition into other phases. Their distribution along the river witnesses therefore the input situation of pollutants into the Lippe River in a very concrete fashion. The erratic distribution pattern of Type 2 compounds results from partial compensation of input by effective removal processes. The fact that loads are decreasing within a short flow distance implies that these processes take place within a short period. Consequently, it can be deduced that Type 2 compounds are rapidly degraded in the aqueous phase or tend to partition into other phases (e.g. by volatilization or adsorption to particulate matter). The third type of compounds occurred only in restricted sections of the river implying a punctual input pathway (point source). The Type 1 compounds which remain relatively stable in the aqueous phase are useful molecular markers for anthropogenic input of organic pollutants. They can be applied to track plumes from discrete pollution sources (e.g. sewage effluents). Generally, the investigation of compound distributions in natural systems provides direct information on the properties and fate of compounds which are discharged into the rivers.

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