Masterarbeit

Methodenentwicklung für die chromatographische Trennung von thiolierten Arsen-Spezies in Eisen- und Sulfid-reichen marinen Wässern

Elena Hartner (08/2018-05/2019)

Betreuer: Britta Planer-Friedrich

Thioarsenate sind bedeutend für die Geochemie von Arsen (As) unter sulfidhaltigen, reduzierenden Bedingungen, wie sie in submarinen hydrothermalen Fluiden vorliegen. Neben Sulfid enthalten diese Fluide viel Eisen, was zu Schwierigkeiten bei der ionen-chromatographischen (IC) Trennung von Arsenit, Arsenat und Thioarsenaten und der folgenden Detektion mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) führt.

Ziel dieser Arbeit war es daher, eine verbesserte Analysemethode zur Ermittlung der Arsenspeziierung mittels IC-ICP-MS zu entwickeln, um hydrothermale Fluide chemisch zu charakterisieren. Zudem sollte eine Bewertung der neu entwickelten Methode für Proben mit komplexen Probenmatrizen mit Arsen, Sulfid und Eisen aus dem Tonga-Bogen und Lau-Backarc-Becken im Südwestpazifik durchgeführt werden.

Der vorgestellte chromatographische Aufbau beinhaltete eine sogenannte InGuard Kartusche zur Inline-Eisenentfernung mittels Kationenaustausch und verwendete eine Gradientenelution von 20-100 mM NaOH zur Speziestrennung in der analytischen Säule. Die Chromatogramme konnten hinsichtlich Peakform und -trennung signifikant verbessert werden. Die niedrigste nachweisbare Konzentration für Arsenat und Arsenit lag bei nur 0,05 ppb. Jedoch ergab sich beim Vergleich der Summe der Spezies mit dem Gesamtarsengehalt eine große Bandbreite an Wiederfindungsraten, die zeigte, dass es noch einige Herausforderungen gibt.

Das Auftreten von Thioarsenaten in hydrothermalen Fluiden konnte bestätigt werden. Sie lagen vor allem unter reduzierenden Bedingungen und bei hohen Sulfidkonzentrationen vor, wo sie die Speziesverteilung mit bis zu 94% dominierten. Die Proben mit dem höchsten Anteil an Thioarsenaten waren auch diejenige mit den niedrigsten Gesamtarsen-konzentrationen. Dies deutet darauf hin, dass Thioarsenate eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Arsenit/Arsenat zu Arsensulfid-Mineralien, die am Meeresboden ausfallen, spielen. Dies begrenzt die Menge an Gesamtarsen in Lösung und weist auf die Wichtigkeit hin, Thioarsenate im marinen Arsenkreislauf zu berücksichtigen. Mit zunehmendem Abstand zur Quelle wurde eine Umwandlung von Thioarsenaten zu Arsenat beobachtet, bedingt durch die Vermischung hydrothermaler Fluide mit sauerstoffhaltigem Meerwasser.

Diese Arbeit verdeutlicht das Potenzial der Inline-Probenvorbehandlung für eisen- und sulfidreiche Proben bei Analysen der Arsenspeziierung mittels IC und verdeutlicht die Wichtigkeit geeigneter Analysetechniken für den Nachweis von Thioarsenaten in der marinen Umwelt.