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Bromine and iodine in plant-soil systems

Wishkerman, Asher

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Abstract

Brom und Jod kommen in von Folge sowohl natürlichen als auch anthropogenen Prozessen (z.B.Verdunstung von Meerwasser, Verbrennung von Biomasse) als Spurenelemente in der Biosphäre vor. Obwohl das Verhalten von Halogenen in der Umwelt intensiv untersucht worden ist, bestehen nach wie vor große Lücken im Verständnis ihres Verhaltens, ihrer Verteilung und ihrer Bindungsformen in terrestrischen Milieu. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung natürlicher Anreicherungsprozesse von Halogenen in terrestrischen Milieu, sowie der Wechselbeziehungen zwischen Halogenen, Boden, Streu und Pflanzen. Sowohl terrestrische Pflanzen als auch Böden vermögen den natürlichen Halogen-Kreislauf entscheidend zu beeinflussen, indem sie sowohl als Speichermedium (Senke) als auch als Emittent (Quelle) einer vielzahl von Halogen-Spezies dienen. Das Verhalten von Brom und Jod wurde während des einjährigen Lebenszyklus (vom Samen bis zur Zersetzung) von Weidelgras (Lolium multiflorum) untersucht. Darüber hinaus wurden Blätter von Buchen (Fagus Sylvatica) unter aborbedingungen zersetzt, um diese Ergebnisse mit denen von Abbauprozessen unter natürlichen Umweltbedingungen zu vergleichen. Die Verteilung von Brom und Jod in Boden, Bodenlösung, Ausgangsgestein, Niederschlag, Blättern und Streu wurde in zwei Wald-Gebieten in der Umgebung von Heidelberg (Deutschland) untersucht. Zur Quantifizierung der Halogene kamen verschiedene Methoden zum Einsatz, unter ihnen INAA, XRF, ICP-MS und IC/ICP-MS. Während der Weidelgras-Zersetzung werden die beiden Halogene sowohl in organischer, als auch anorganischer Form freigesetzt Brom in überwiegend flüchtiger Form (bis zu ~80%), während kleine Mengen im Detritus verbleiben (bis zu ~2,6%) und die restliche Menge ausgewaschen wird. Das Verhalten von Jod während der Zersetzung ist weniger schlüssig und bedarf weiterer Untersuchungen. Bei der Verrottung von Buchen-Blättern zeigt sich für die Freisetzung von Brom ein anderes Muster als bei der Weidelgras-Verrottung, was auf die Bedeutung der Eigenschaften des jeweiligen Streus hinweist. Brom- und Jod-Konzentrationen in den untersuchten Bodenprofilen reichen von 0,6 μg/g bis 15 μg/g und die in den Bodenlösungen von 0,5μg/l bis 43μg/l. Dabei ist eine Abhängigkeit vom jeweiligen Bodenhorizont zu beobachten. Im Oberboden (reich an organischem Material) sind die Halogene bevorzugt in organischen Bindungsformen zu finden (zwischen 60 und 100%), während deren Anteil im Verlauf des Bodenprofils nach unten hin abnimmt. Bei einem der untersuchten Waldgebiete stellt die atmospärische Deposition die Quelle für Brom und Jod dar, während im zweiten Waldgebiet eine zusätzliche Beeinflussung durch das Ausgangsgestein festzustellen ist. Bei der Verrottung von Buchenblättern im Labor war die Bildung flüchtiger Bromver-bindungen geringer (12,9% ± 6.1) als es Berechnungen aus dem gleichen Prozeß unter natürlichen Bedingungen ergaben (24,4%). Man kann daher das Streu selbst als Quelle für Bromverbindungen ansehen. Die vorliegende Arbeit zeigt das Vorhandensein von Halogenen in den Komponenten terrestrischer Ökosysteme, sowie deren Austausch und die Beeinflussung der Halogenverteilung und Bindungsphase durch biologische Prozesse (z.B. Wachstum, Zerfall).

Translation of abstract (English)

Bromine and iodine are known trace elements in the biosphere as a result of natural and anthropogenic processes (e.g. volatilization from sea, biomass burning). Though the fate of halogens in the environment has been studied intensely, a lack of knowledge still exists concerning their behaviour, distribution and speciation in terrestrial environments. The aim of this work was to examine natural enrichment processes of halogens in terrestrial environments and to study the interactions between halogens, soil, litter and plants. Both terrestrial plants and soils may have an important influence on halogen cycles due to their capability of storing as well as emitting a wide range of halogen species. Bromine and iodine fate were examined during annual ryegrass (Lolium multiflorum) life cycle (from seed to decomposition). In addition, Atlantic beech (Fagus Sylvatica) leaves were decomposed under laboratory condition in order to compare them to the natural decay processes. The bromine and iodine distribution were examined in soil, soil solutions, rocks, wet depositions, leaves and litter at two forest sites in the vicinity of Heidelberg, Germany. The halogens were measured using various methods such as INAA, XRF, ICP-MS and IC/ICP-MS. During annual ryegrass decomposition the halogens release in both organic and inorganic species. Bromine mostly volatilizes (up to ~80%), while small amounts remain in the detritus (up to ~2.6%) and remaining bromine is leached. Iodine behaviour during decomposition is less conclusive and requires further investigations. Bromine release during Atlantic beech decomposition reveals a different pattern compared to annual ryegrass, reflecting the importance of litter quality on this process. Bromine and iodine concentrations in the examined soil profiles range between 0.6-15 μg/g and in soil solutions they vary between 0.5-43 μg/l. A dependence to soil horizons is observed. In the topsoil (rich in organic matter), halogens tend to be in an organic form (between 60-100%), while in the lower soil sections the organic fractions decrease. The bromine and iodine source in one examined site is atmospheric deposition while in the other site an additional influence from basement rocks is observed. The bromine volatilization from the decomposing Atlantic beech leaves (12.9% ± 6.1, experimental stage) was lower compared to the calculated loss in natural conditions (24.4%), indicating that litter can release bromine and act as a source. This work shows that halogens are present in components of the terrestrial ecosystem, being exchanged between them and their presence and phase is influenced by biological processes (e.g. growth, decomposition).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Biester, Dr. HD Harald
Date of thesis defense: 23 June 2006
Date Deposited: 26 Jun 2006 11:11
Date: 2006
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Pflanzenanalyse, Bodenanalyse
Uncontrolled Keywords: Iodine , bromine , soil , plant
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