Nanopartikel und Staub

Kleinste Partikel im sub-mm-Bereich spielen in den Geo- und Umweltwissenschaften eine herausragende Rolle. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie im Wasser und der Atmosphäre über weite Strecken transportiert werden und tief in Organismen eindringen. Zudem sind sie aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen häufig Hauptakteure bei Sorptions- und Transformationsprozessen von Nähr- und Schadstoffen. Die AG Angewandte Geologie arbeitet in verschiedenen Projekten (u.a. NacoTe, TRANS-LARA, USER II), zu den Themen Nanopartikeln, (Bio-)Kolloiden und Staub und untersucht mittels eines multimethodischen Ansatzes dabei sowohl verschiedene Umweltkompartimente als auch natürliche und anthropogene Partikel.

Abb.1: Anwendung bildgebender Methoden für (bio)kolloidale Phasen; A) 3D Rasterkraftmikroskopie (AFM) - Aufnahme eines begeißelten Mikroorganismus B) Rasterelektronenmikroskopie (REM) - Aufnahme einer multimineralischen kolloidalen Phase
© Marcus Böhm 2018, 2020

Die AG Angewandte Geologie arbeitet in verschiedenen Bereichen zu kleinsten Partikeln. Dabei werden sowohl verschiedene Umweltkompartimente als auch natürliche und anthropogene Partikel beleuchtet.

Nanopartikel/(Bio)Kolloide

Die quantitative Beschreibung der transportkontrollierenden Prozesse von natürlichen und künstlichen Nanopartikeln über die Bodenzone in Grundwasserleiter oder aus dem Grundwasserleiter über die Bodenzone in die Biosphäre ist noch weitestgehend unverstanden. Gegenstand aktueller Forschung ist daher das Prozessverständnis durch einen sogenannten „Bottom-up“ Ansatz im Rahmen von klein- und mesoskaligen Säulenexperimenten bis hin zu Feldexperimenten mit Großlysimetern. Dabei werden gezielt einzelne Parameter, wie bestimmte Eigenschaften des Kollektors (z.B. hydrogeochemische Eigenschaften von Aquifer- oder Bodensubstraten sowie Kluftoberflächen) oder der Nanopartikel variiert. Damit einhergehend liegt ein weiterer Fokus der Arbeiten auf dem Co-Transport von Schadstoffen an natürlichen und künstlichen anorganischen und organischen Nanopartikeln und (Bio-)Kolloiden und hier speziell (a) die Gründe für die beobachteten Spurenelement Desorptionskinetiken (Sorption oder struktureller Einbau) und (b) die modelltechnische Beschreibung dieser Transportprozesse. Dabei wird auf eine Kombination von Labor- und Geländeversuchen sowie verschiedenen Analysemethoden auch in Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen, wie z.B. Hydrogeologie und Mineralogie.

 

Projektleiter: Thorsten Schäfer

 

Abb.2: Nanopartikel Tracking Analyse (NTA); A) Mikroskop mit montierter Flusszelle, B) Lasermodul mit montierter Niedrig-Volumen-Durchflusszelle (Draufsicht)
© Marcus Böhm, 2018
Abb.3: Von der Probe zur Analyse zum Ergebnis - A) Probenahme auf Testfeld, B) Analyse verschiedener organischer Fraktionen mittels LC-OCD-OND und C) Auswertung
© Sarah Nettemann, 2020

Feinstaub

Als Folge der Industrialisierung und Urbanisierung ist anthropogener atmosphärischer Feinstaub ein nahezu globales Problem mit Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt. Um die erhöhten Gehalte in der Atmosphäre zu reduzieren ist eine möglichst genaue, lokale Identifikation von Feinstaubquellen vonnöten. Die Arbeiten auf diesem Gebiet beschäftigen sich unter anderem mit den Möglichkeiten, Daten von Beprobungskampagnen in Kombination mit statistischen Methoden (z.B. Hauptkomponentenanalyse, Diskriminanzanalyse) zu diesem Zweck zu nutzen. Zur Gewinnung der Daten kommen vor allem nicht klassische Beprobungsmethoden zum Einsatz. Diese beinhalten z.B. die Beprobung von Spinnweben, an deren Oberfläche die Staubpartikel haften, oder das Biomonitoring mittels Moossäckchen („moss bag biomonitoring“).

 

Publikationen:

van Laaten N. Merten D. von Tümpling W, Schäfer T, Pirrung M (eingereicht) Comparison of spider web and moss bag biomonitoring to detect sources of urban particulate matter. Water Air and Soil Pollution.

Abb.4: Präparation von Moossäckchen zum Biomonitoring von Feinstaub
© Neele van Laaten, 2017
Abb.5: Bildunterschrift: Spinnweben agieren als natürliche Fänger für Feinstaub
© Neele van Laaten, 2018