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Biogeochemical signatures in sediments by iron from mining areas : case study River Spree (NE Germany)

Biogeochemische Signaturen in Sedimenten durch Eisen aus Bergbauregionen : am Beispiel der Spree (NO Deutschland)

  • During open-cast lignite mining in Lusatia (NE Germany), iron sulfide minerals associated with lignite, are exposed to air and weather. The weathering products iron (Fe), sulfate and acids subsequently enter the fluvial-lacustrine system Spree and its tributaries. The aim of this work was to identify and explain the evolving biogeochemical signatures (spatio-temporal patterns) in River Spree. These signatures are significantly influenced by biogeochemical turnover processes triggered by iron input. To identify the signatures, a regional field study was conducted from the inland delta Spreewald to the mouth. This study was followed by two laboratory experiments under controlled redox conditions to investigate the effect of Fe on the long-term binding of phosphorus and the degradation of particulate organic material in the iron-enriched sediments. Characteristic elements introduced by lignite mining (iron, sulfur, aluminum, cobalt, nickel) and by urban areas (zinc, lead, copper, chromium) could be determined by means of a principalDuring open-cast lignite mining in Lusatia (NE Germany), iron sulfide minerals associated with lignite, are exposed to air and weather. The weathering products iron (Fe), sulfate and acids subsequently enter the fluvial-lacustrine system Spree and its tributaries. The aim of this work was to identify and explain the evolving biogeochemical signatures (spatio-temporal patterns) in River Spree. These signatures are significantly influenced by biogeochemical turnover processes triggered by iron input. To identify the signatures, a regional field study was conducted from the inland delta Spreewald to the mouth. This study was followed by two laboratory experiments under controlled redox conditions to investigate the effect of Fe on the long-term binding of phosphorus and the degradation of particulate organic material in the iron-enriched sediments. Characteristic elements introduced by lignite mining (iron, sulfur, aluminum, cobalt, nickel) and by urban areas (zinc, lead, copper, chromium) could be determined by means of a principal component analysis. Based on these findings, the impact range of the open-cast mining was determined to be at least ~ 90 km downstream of the Spreewald. Within the urban-influenced systems Fürstenwalde and Berlin, the urban signature is more dominant than the mining signature. By means of sequential extractions and XRD analyses of the sediments, iron binding forms and characteristic iron minerals have been additionally identified (e.g., Fe(III) oxyhydroxides, pyrite, vivianite). Sediment analyses and column experiments have shown that iron increases the phosphorus sorption and decreases the phosphorus release in the sediments of three studied lakes of the fluvial-lacustrine system. However, the application of different phosphorus retention models for Lake Neuendorfer See showed that Fe cannot reduce the eutrophic state of the lakes along the river, since the water retention times are too short and the external phosphorus loads are too high. Additionally, lake sediments with different Fe contents have been incubated with particulate organic material. Higher Fe contents resulted in reduced emissions of the greenhouse gases CO₂ and CH₄, which can be attributed to a reduced degradation of organic matter by Fe. Possible reasons include sorption processes of (dissolved) organic matter onto Fe oxyhydroxides and toxic effects of iron on microorganisms. Nevertheless, Fe (and sulfate) are available as electron acceptors during the decomposition of organic matter in River Spree. The findings of this work deepen the understanding of the impact of iron from mining on sulfur, phosphorus and carbon turnover processes in fluvial-lacustrine systems. As a consequence of the Fe input from the Lusatian area, the signature will persist for decades in River Spree.show moreshow less
  • Mit der Braunkohle in der Lausitz (NO Deutschland) liegen Eisensulfide vor, die während des Abbaus der Braunkohle durch abgesenktes Grundwasser freigelegt werden und verwittern. Die Witterungsprodukte Eisen (Fe), Sulfat und Säure gelangen nachfolgend in das benachbarte fluvial-lakustrine System der Spree und ihre Zuflüsse. Im Rahmen der Arbeit wurden biogeochemische Signaturen (raumzeitliche Musterbildungen), in den Sedimenten der Spree identifiziert und erklärt. Diese werden durch biogeochemische Umsetzungsprozesse verursacht, die maßgeblich durch den Eintrag von Eisen gesteuert werden. Die Arbeit besteht aus einer regionalen Freilandstudie vom Spreewald bis zur Mündung zur Untersuchung der Sedimentzusammensetzung und zwei Laborversuchen unter kontrollierten Redoxbedingungen, um die Auswirkung von Fe auf die langfristige Bindung von Phosphor im Sediment sowie den Abbau von partikulärem organischem Material zu untersuchen. Mittels Hauptkomponentenanalyse konnten neben Fe und Schwefel charakteristische Elemente, eingetragenMit der Braunkohle in der Lausitz (NO Deutschland) liegen Eisensulfide vor, die während des Abbaus der Braunkohle durch abgesenktes Grundwasser freigelegt werden und verwittern. Die Witterungsprodukte Eisen (Fe), Sulfat und Säure gelangen nachfolgend in das benachbarte fluvial-lakustrine System der Spree und ihre Zuflüsse. Im Rahmen der Arbeit wurden biogeochemische Signaturen (raumzeitliche Musterbildungen), in den Sedimenten der Spree identifiziert und erklärt. Diese werden durch biogeochemische Umsetzungsprozesse verursacht, die maßgeblich durch den Eintrag von Eisen gesteuert werden. Die Arbeit besteht aus einer regionalen Freilandstudie vom Spreewald bis zur Mündung zur Untersuchung der Sedimentzusammensetzung und zwei Laborversuchen unter kontrollierten Redoxbedingungen, um die Auswirkung von Fe auf die langfristige Bindung von Phosphor im Sediment sowie den Abbau von partikulärem organischem Material zu untersuchen. Mittels Hauptkomponentenanalyse konnten neben Fe und Schwefel charakteristische Elemente, eingetragen durch den Tagebau (u.a. Aluminium, Kobalt, Nickel) und durch urbane Gebiete (Zink, Blei, Kupfer, Chrom), definiert werden. Aufgrund dieser Signaturen wurde die Reichweite des Tagebaueinflusses auf mindestens 90 km flussabwärts des Spreewaldes bestimmt, wobei die Bergbausignatur im Fürstenwalder und Berliner Stadtgebiet von der urbanen Signatur abgelöst wird. Mithilfe sequentieller Extraktionen und XRD konnten zusätzlich Eisenbindungsformen und charakteristische Fe-Minerale identifiziert werden (z.B. FeIII oxidhydroxide, Pyrit, Vivianit). Sedimentuntersuchungen und Säulenversuche haben bestätigt, dass Fe aus dem Tagebau die Phosphor-Sorption in Sedimenten von drei Spree-Seen erhöht und die Rücklösung verringert. Die Anwendung von Phosphor-Retentionsmodellen am Beispiel des Neuendorfer Sees hat allerdings gezeigt, dass Fe den eutrophen Zustand der Seen entlang der Spree nicht verringern kann, da insbesondere die Wasseraufenthaltszeiten zu gering und die externen Phosphor-Frachten zu groß sind. Zudem wurden Spree-Sedimente mit vers. Eisengehalten mit partikulärem organischen Material inkubiert. Die erhöhten Fe-Gehalte führten zu einer reduzierten Produktion der Treibhausgase CO₂ und CH₄, welches auf einen geringeren Abbau von organischem Material durch Fe zurückgeführt wurde. Als Gründe wurden insbesondere Sorptionsprozesse des (gelösten) organischen Materials an Fe-oxidhydroxide und toxische Effekte des Eisens auf Mikroorganismen diskutiert. Dennoch stehen Fe (und Sulfat) als Elektronenakzeptoren während des Abbaus von organischem Material in der Spree zur Verfügung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit vertiefen das Verständnis über die Folgen des eingetragenen Eisens vom Bergbau auf Teilprozesse der biochemischen Kreisläufe von Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff in fluvial-lakustrinen Systemen. In der Spree werden die Signaturen infolge des Fe-Eintrags noch mehrere Jahrzehnte erhalten bleiben.show moreshow less

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Metadaten
Author: Giulia KommanaORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64708
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6470
Referee / Advisor:Prof. Dr. Brigitte Nixdorf, Prof. Dr. Michael Hupfer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/07/06
Release Date:2023/09/19
Tag:Biogeochemische Prozesse; Braunkohleabbau; Eisen; Elementkreisläufe; Sedimentzusammensetzung
Biogeochemical processes; Element cycling; Iron; Lignite mining; Sediment composition
GND Keyword:Spree; Biogeochemie; Braunkohlentagebau; Eisen; Phosphor; Flusssediment; Hauptkomponentenanalyse
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Gewässerökologie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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