Rückverfolgung von Quecksilberquellen und Umwandlungsprozessen mittels stabiler Quecksilberisotopen

Quecksilber (Hg) ist ein hoch giftiges Schwermetall mit natürlichen wie auch anthropogenen Quellen. Quecksilber fand breite Anwendung in Wissenschaft, Industrie und Landwirtschaft, doch durch das zunehmende Bewusstsein für die schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt, wurde Hg in vielen Anwendungen ersetzt. Die Verbrennung von Kohle, die Verhüttung von Metallerzen und der Goldbergbau setzen nach wie vor grosse Mengen an Hg in die Umwelt frei. Durch seine lange Verweildauer in der Atmosphäre kann Hg weiträumig verfrachtet werden. Die chemische Speziierung von Hg bestimmt massgeblich seine Mobilität, Toxizität und Bioverfügbarkeit. Anorganische und organische Hg(II)-Komplexe dominieren die Biogeochemie von Hg in Böden und Sedimenten, während Hg(0) die wichtigste Spezies in der Atmosphäre ist. Die Umwandlung von anorganischem Hg in hochgiftiges Methylquecksilber in Böden, Sedimenten und Oberflächengewässern ist besonders problematisch, da dieses zur Bioakkumulation in der aquatischen Nahrungskette führt. Das Verständnis von Umwandlungsprozessen zwischen Hg-Spezies ist deshalb von entscheidender Bedeutung für eine bessere Vorhersage des Verbleibs von Hg in der Umwelt, bleibt aber eine grosse Herausforderung mit den etablierten analytischen Methoden der Hg-Geochemie. Die Anwendung von Hg-Isotopenverhältnissen ist ein neuartiger Ansatz mit grossem Potenzial zur Erweiterung unserer Instrumente zur Rückverfolgung von Hg Quellen und spezifischen Hg-Transformationsprozessen. Die in diesem Beitrag präsentierten Daten zu Hg-Bindungsformen und stabilen Hg-Isotopenverhältnissen von Sedimenten flussabwärts eines kontaminierten Standorts zeigen die Anwendbarkeit und Grenzen stabiler Hg-Isotope für die Verfolgung von Hg Quellen sowie von Hg-Transformationsprozessen auf. Eine starke Verschiebung der Hg-Isotopenverhältnisse hin zu negativen δ202Hg-Werten flussabwärts des kontaminierten Standorts wurde beobachtet (Veränderung von ≈ 2 ‰), zusammen mit einer geringfügigen Verschiebung der massenunabhängigen Fraktionierung. Die Aufteilung der Herkunft zwischen industriellem Hg und natürlichen Hg-Quellen unter Verwendung von binären Mischungsmodellen basierend auf Isotopenverhältnissen ergab jedoch keine aussagekräftigen Zuordnungen. Unter Berücksichtigung der massenabhängigen und der massenunabhängigen Hg-Isotopenfraktionierung wurde ein konzeptionelles Modell erarbeitet, welches die beobachteten Isotopensignaturen als Ergebnis von kinetischen Isotopeneffekten während der Sorption, der Umverteilung von Hg innerhalb des Sediments sowie des bevorzugten Transports der umverteilten, isotopisch fraktionierten Hg-Anteile, der eine erneute Gleichgewichtsbildung verhindert, erklären kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die Überlagerung verschiedener Fraktionierungsprozesse oder das Vorliegen unterschiedlicher Quellen eine sorgfältige Interpretation von Hg Isotopendaten bedingen.