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Quecksilberanalytik Bestimmung von elementarem Quecksilber in Meerwasser

| Autor / Redakteur: Joachim Kuss*, Johann Ruickoldt**, Klaus-Peter Wlost**, Siegfried Krüger** / Dr. Ilka Ottleben

Die Weltmeere emittieren in nicht unbedeutendem Ausmaß elementares Quecksilber. Für die Beurteilung dieser giftigen Schwermetall-Emissionen bedarf es einer exakten Datengrundlage – diese liefert ein spezielles Schiffslabor.

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Abb. 1: Reinseewassersysteme (RSW) aus Fluorkunststoff und Edelstahl des Forschungsschiffes „Elisabeth Mann Borgese“ mit optionalem Einsatz des „Ausfahrrohres“, um den Abstand zwischen Ansaugöffnung und Schiff zu vergrößern; die separate PVC-Leitung dient der Wasserversorgung des Thermosalinographen. (Bild: IO Warnemünde)
Abb. 1: Reinseewassersysteme (RSW) aus Fluorkunststoff und Edelstahl des Forschungsschiffes „Elisabeth Mann Borgese“ mit optionalem Einsatz des „Ausfahrrohres“, um den Abstand zwischen Ansaugöffnung und Schiff zu vergrößern; die separate PVC-Leitung dient der Wasserversorgung des Thermosalinographen. (Bild: IO Warnemünde)

Quecksilber (Hg) gehört zu den Schadstoffen, deren Verteilung in der Umwelt besonders aufmerksam beobachtet werden muss. Es wird aus industriellen Prozessen oder durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe freigesetzt. Relativ stabiles elementares Quecksilber unterliegt der großräumigen Verteilung über die Atmosphärische Zirkulation und wird erst nach und nach durch reaktive Spurengase oxidiert und dann über Staub und Regen aus der Luft beseitigt. Eingetragen in Flüsse, Seen und Meere kann dieses reaktive Quecksilber durch Mikroorganismen unter Sauerstoffmangel in giftiges Monomethylquecksilber umgewandelt werden, das sich über die Nahrungskette anreichert. So kann es auch noch einige tausend Kilometer von der Quellregion entfernt zu Quecksilber-belasteten Nahrungsmitteln kommen.

Quecksilbermessungen – Warum sind sie wichtig?

Die Erdoberfläche ist zu etwa 71% von Meeren bedeckt, sodass diese bedeutende Empfänger des anthropogen emittierten Quecksilbers sind. Im lichtdurchfluteten Oberflächenwasser der Meere findet aber auch die Umwandlung von reaktivem Quecksilber in die elementare Form statt. Diese flüchtige Form des Quecksilbers (Hg0) kann wiederum dem Ozean entweichen. Die Emission des Weltozeans ist sogar so bedeutend, dass sie in etwa gleich der weltweiten anthropogenen Emission von Quecksilber geschätzt wird. Dabei ist zu bedenken, dass nur etwa ein Drittel der ozeanischen Emission wirklich natürlich ist, der Hauptteil stammt aus anthropogenen Quellen. Diese Resultate ergeben sich aus globalen Bilanzen und werden nur durch wenige Messungen gestützt. Das liegt besonders an der niedrigen Konzentration des Hg0 im Meerwasser und der aufwändigen quantitativen Extraktion von Einzelproben für seine Bestimmung. So bestand der Bedarf nach einer Analytik, die eine einfachere und höher aufgelöste Datengewinnung über Hg0 im Meerwasser ermöglichte. Da sich Hg0 in großer Verdünnung wie ein Gas verhält, besteht die Möglichkeit, es wie ein Gas unter Verwendung eines Equilibrators zu messen [2]. Dabei erzeugt man in einem Gefäß ein Gleichgewicht von Hg0 zwischen Wasser und Luft und analysiert die Luft. Über den temperaturabhängigen Hg0-Verteilungskoeffizienten Wasser-Luft (Henry-Konstante) lässt sich die Konzentration im Wasser dann berechnen.

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Durch quasi-parallele Messung von Quecksilber in Wasser (Hg0equ) und Luft (Hg0atm) lässt sich der Fluss von Quecksilber zwischen Meer und Atmosphäre bestimmen:

F = k ∙ (Hg0equ - Hg0atm)/H (Formel 1)

wobei H die Henry-Konstante und k die substanz-, temperatur- und salzgehaltsabhängige Transfergeschwindigkeit ist. Diese ist für Kohlendioxid in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit (u in m/s) in 10 m Höhe parametrisiert (z.B.: k = 0,222 u2 + 0,333 u in cm/h, [3]) und kann auf Quecksilber für die herrschenden Bedingungen umgerechnet werden [1]. So lässt sich dann aus dem Datensatz eines Zeitfensters (siehe unten) ermitteln, wie viel Quecksilber in der untersuchten Region zu der Zeit vom Meer abgegeben wurde.

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