Element-Ultraspurenanalytik in der Ozeanographie

Ein umfangreiches Wissen über Vorkommen und Verteilung bioaktiver Metalle wie Fe, Al, Cd, Cu, Mn und Zk in den Ozeanen ist von großer Wichtigkeit für das Verständnis des Meeres als biogeochemisches System. Das internationale Programm GEOTRACES, welches im Jahr 2008 gestartet wurde, hat das Ziel, marine biogeochemische Zyklen von Spurenelementen und deren Isotopen zu untersuchen. Eine wichtige Basis dafür ist die Etablierung von nachweisstarken und genauen Analysenmethoden, welche einen hohen Probendurchsatz erlauben. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Optimierung von robusten Methoden für die akkurate Quantifizierung gelöster Metalle in natürlichen Wässern in Konzentrationen im Ultraspurenbereich, basierend auf Matrixabtrennung (effektive Entfernung von Hauptkomponenten) und Anreicherung der Analyten über Festphasenextraktion. Wichtige Charakteristika, welche bei der Methodenentwicklung berücksichtigt werden sind unter anderem Probendurchsatz und Wirtschaftlichkeit, was durch eine Automatisierung der neuen Analysenmethode gewährleistet werden kann. Um diese Ziele zu erreichen, werden folgende Projektmeilensteine definiert: Entwicklung und Implementierung einer Anreicherungsmethode für die Analyse einer großen Anzahl von gelösten Metallen aus natürlichen Wässern Konstruktion einer automatisierten Methode im Offline Modus Implementierung geeigneter Quantifizierungsstrategien Anwendung der Methodik zur Analyse von Meerwasserproben Methodentransfer in einen Online-Modus (direkte Kopplung mit dem Massenspektrometer) und Implementierung einer einfachen und schnellen Vorgehensweise zur Datenauswertung Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes sind neben der chemischen und technologischen Methodenentwicklung die Generierung zuverlässiger Daten, welche bezüglich ihrer biogeochemischen und ozeanographischen Relevanz interpretiert werden. Oberstes Ziel ist die Erweiterung des Wissensstandes bezüglich der Biogeochemie der Erdoberfläche. Das vorgeschlagene Projekt wird am Department für Meereswissenschaften an der Universität von Kalifornien unter Betreuung von Professor Kenneth Bruland, welcher äußerst aktiv an der Initiierung des GEOTRACES Programmes beteiligt war, durchgeführt. Die dort entwickelte Methode soll nach dem Aufenthalt an der Universität für Bodenkultur Wien implementiert werden, um zukünftige wissenschaftliche Projekte, welche auf Element- Ultraspurenanalytik basieren, erfolgreich durchführen zu können. Ein derartiges Projekt wird derzeit von Frau Prof. Krachler (Universität Wien) und Herrn Prof. Hann (BOKU Wien) vorbereitet. Im Rahmen dieses Projektes besteht auch die Möglichkeit einer Kooperation während der Rückkehrphase im Rahmen des Schrödinger-Stipendiums.

Im Rahmen dieses Projektes wurden neue analytische Techniken zur akkuraten Quantifizierung von Elementen im Ultraspurenbereich in Meerwasser entwickelt. Umfassendes Wissen bezüglich Vorkommen und Verteilung von bioaktiven Metallen wie beispielsweise Eisen, Kupfer, Mangan, Cadmium und Zink in den Ozeanen ist von enormer Wichtigkeit für das Verständnis des marinen Ökosystems. Aus diesem Grund wurden zahlreiche Methoden zur Ermittlung der Konzentrationen dieser Elemente implementiert und internationale Programme wie GEOTRACES erforschen die großräumige Verteilung und biogeochemische Zusammenhänge dieser Elemente in der globalen marinen Umwelt. Substanzen wie Silber und Edelmetalle sind nicht in Umweltüberwachungsprogrammen inkludiert, jedoch steigt das Interesse bezüglich natürlich bedingter und anthropogener Konzentrationen und deren Verteilung in Meer-, Küsten- und Flussmündungsgewässer sowie in Flüssen und Grundwasser. Aufgrund der bekannten potentiellen Gefahren, die von diesen Elementen auf die natürliche Umwelt und die menschliche Gesundheit ausgehen, sind robuste analytische Methoden zur Überwachung unbedingt notwendig. Die großen Herausforderungen hierbei sind vor allem die komplexe Matrix und deren Vorkommen in extrem geringen Konzentrationen. Zur Verwirklichung dieser Anforderungen wurden Methoden zur selektiven und quantitativen Analytik von Silber, Palladium, Platin und Gold, basierend auf Festphasenextraktion der anionischen Chloro-komplexe und nachfolgender Bestimmung mit Induktiv gekoppeltes Plasma Massenspektrometrie entwickelt, um Vorkommen und Verbreitung dieser Elemente in der aquatischen Umwelt zu untersuchen. Im Zuge der Methodenentwicklung wurde vor allem auf folgende Aspekte wertgelegt: kurze Prozesszeit und somit ein hoher Probendurchsatz, Kosteneffizienz, einfache Handhabung und ein geringes Gesundheitsrisiko durch Verwendung gering gefährlicher Chemikalien. Die Verwendbarkeit dieser Methodik wurde anhand verschiedener Referenzmaterialen sowie Tiefenprofilen, die während der 2. Internationalen GEOTRACES Intercalibration cruise 2009 im Nordpazifik genommen wurden, gezeigt. In einem weiteren Schritt wurde diese Methodik hinsichtlichAutomatisierung und Miniaturisierungbezüglich Proben- und Chemikalienvolumina weiterentwickelt und für die Analytik von Wasserproben mit variierenden Matrixkonzentrationen, wiezum Beispielhöhermineralisierte Grundwasserprobenadaptiert. Somit kannsie auch innationalen Gewässerüberwachungsprogrammen (Oberflächen- und Grundwasser) implementiert werden. In Anbetracht des ständig steigenden Einsatzes von Silber und Platingruppenelementen für industrielle und medizinische Anwendungen werden Methoden zu deren Untersuchung bezüglich Konzentrationen, Umweltverhalten und des ökotoxikologischen Potentials von enormer Bedeutung, weshalb die Etablierung von nachweisstarken und genauen Analysenmethoden eine Notwendigkeit ist.